LLC與傳統(tǒng)PWM變換器異同

　　與傳統(tǒng)PWM(脈寬調(diào)節(jié))變換器不同的是，LLC是一種通過控制開關(guān)頻率(頻率調(diào)節(jié))來實現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。

　　它的優(yōu)點是：實現(xiàn)原邊兩個主MOS開關(guān)的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，通過軟開關(guān)技術(shù)，可以降低電源的開關(guān)損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。

　　ZVS 與 ZCS

　　由于普通的拓撲電路的開關(guān)管是硬開關(guān)的，在導通和關(guān)斷時MOS管的Vds電壓和電流會產(chǎn)生交疊，電壓與電流交疊的區(qū)域即MOS管的導通損耗和關(guān)斷損耗。如圖所示：

　　為了降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高電源的效率，有零電壓開關(guān)(ZVS) 和零電流開關(guān)(ZCS)兩種軟開關(guān)辦法。

　　零電壓開關(guān) (ZVS)：開關(guān)管的電壓在導通前降到零，在關(guān)斷時保持為零。

　　零電流開關(guān)(ZCS)：使開關(guān)管的電流在導通時保持在零，在關(guān)斷前使電流降到零。

　　由于開關(guān)損耗與流過開關(guān)管的電流和開關(guān)管上的電壓的成績(V*I)有關(guān)，當采用零電壓ZVS導通時，開關(guān)管上的電壓幾乎為零，所以導通損耗非常低。

　　● Vin為直流母線電壓，S1，S2為主開關(guān)MOS管(其中Sc1和Sc2分別為MOS管S1和S2的結(jié)電容，并聯(lián)在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管)，一起受控產(chǎn)生方波電壓;

　　● 諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、 勵磁電桿Lm一起構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò);

　　● np，ns為理想變壓器原副邊線圈;

　　● 二極管D1, 二極管D2，輸出電容Co一起構(gòu)成輸出整流濾波網(wǎng)絡(luò)。

　　那么LLC電路是怎么實現(xiàn)軟開關(guān)的呢?

　　要實現(xiàn)零電壓開關(guān)，開關(guān)管的電流必須滯后于電壓，使諧振槽路工作在感性狀態(tài)。

　　LLC 開關(guān)管在導通前，電流先從開關(guān)MOS管的體二極管(S到D)內(nèi)流過，開關(guān)MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V(二極管壓降)，此時讓開關(guān)MOS管導通，可以實現(xiàn)零電壓導通;在關(guān)斷前，由于D-S 間的電容電壓為0V而且不能突變，因此也近似于零電壓關(guān)斷(實際也為硬關(guān)斷)。

　　那什么是諧振呢?我們不妨先看看電感和電容的基本特性：

　　與電阻不同，電感和電容都不是純阻性線性器件，電感的感抗XL和電容的容抗Xc都與頻率有關(guān)，當加在電感和電容上的頻率發(fā)生變化時，它們的感抗XL和容抗Xc會發(fā)生變化。

　　1、如下圖RL電路，當輸入源Vin的頻率增加時，電感的感抗增大，輸出電壓減小，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而減小。

　　2、如下圖RC電路，相反，當輸入源Vin的頻率增加時，電容的容抗減小，輸出電壓增大，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加。

　　LC諧振電路的特性：

　　如圖，當我們將L和C都引入電路中發(fā)現(xiàn)，當輸入電壓源的頻率從0開始向某一頻率增加時，LC電路呈容性(容抗>感抗)，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加，當從這一頻率再向右邊增加時，LC電路呈感性(感抗>容抗)，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而降低。這一頻率即為諧振頻率(此時感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC),諧振時電路呈純電阻性，增益最大。

　　諧振條件：感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC

　　諧振頻率：fo

　　諧振作用

　　控制讓諧振電路發(fā)生諧振，有三個參數(shù)可以調(diào)節(jié)。由于L和C的大小不方便調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)輸入電壓源的頻率，可以使L、C的相位相同，整個電路呈現(xiàn)為純電阻性，諧振時，電路的總阻抗達到或近似達到極值。利用諧振的特征控制電路工作在合適的工作點上，同時又要避免工作在不合適的點上而產(chǎn)生危害。

　　LLC穩(wěn)定輸出電壓原理：

　　將LLC電路等效分析，得到i如下簡化電路。當交流等效負載Rac變化時，系統(tǒng)通過調(diào)整工作頻率，改變Zr 和Zo的分壓比，使得輸出電壓穩(wěn)定，LLC就是這樣穩(wěn)定輸出電壓的。

　　對LLC來說，有兩個諧振頻率，一個諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成;

　　另一個一個諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr，勵磁電感Lm，諧振電容Cr一起組成;

　　詳細的LLC工作模態(tài)分析

　　開關(guān)網(wǎng)絡(luò)：S1、S2及其內(nèi)部寄生二極管Ds1\Ds2、寄生電容Cds1\Cds2;

　　諧振網(wǎng)絡(luò)：諧振電容Cr 、串聯(lián)諧振電感Lr 、并聯(lián)諧振電感 Lm;

　　中心抽頭變壓器(匝比為n:1:1)，副邊整流二極管 D1、D2;

　　輸出濾波電容Co (忽略電容的ESR)，負載 Ro。

　　LLC變換器的模態(tài)分析

　　對于LLC電路，存在兩個諧振頻率：

　　1.1.1 工作區(qū)域2(fr2

　　1.1.2 工作區(qū)域2(fr2

　　1.1.3 工作區(qū)域2(fr2

　　1.1.4 工作區(qū)域2(fr2

　　1.1.5 工作區(qū)域2(fr2

　　1.2 f=fr1 情況下的波形圖

　　1.3 f>fr1情況下的模態(tài)分析

　　1.3.1工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)1

　　1.3.2工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)2

　　1.3.3工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)3

　　1.3.4 工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)4

　　總結(jié)：開關(guān)頻率fr2

　　開關(guān)頻率f=fr1時， LLC諧振變換器工作在完全諧振狀態(tài)，原邊開關(guān)管可以實現(xiàn)ZVS，整流二極管工作在臨界電流模式，此時可以實現(xiàn)整流二極管的ZCS，消除了因二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗;

　　開關(guān)頻率f>fr1時， LLC諧振變換器原邊開關(guān)管在任何負載下都可以實現(xiàn)ZVS，但是變壓器勵磁電感由于始終被輸出電壓所鉗位，因此，只有 Lr、Cr 發(fā)生串聯(lián)諧振，而 Lm在整個開關(guān)過程中都不參與串聯(lián)諧振，且此時輸出整流二極管工作在電流連續(xù)模式，整流二極管不能實現(xiàn)ZCS，會產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。

　　看完了LLC的原理分析，我們再來簡單回顧一下開關(guān)電源的發(fā)展歷程!

　　20世紀60年代末，巨型晶體管(GTR)的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關(guān)電源得以問世，那時確定的開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今。

　　后來隨著電力 MOSFET 的應(yīng)用，開關(guān)電源的頻率進一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進一步提高。

　　20世紀80年代，IGBT的出現(xiàn)讓僅適用于小功率場合的開關(guān)電源在中大功率直流電源也得以發(fā)揮。很快，為了解決因開關(guān)頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問題，出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)電路。

　　到了20世紀90年代，為了提高開關(guān)電源的功率因數(shù)，出現(xiàn)了功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)。

　　目前除了對直流輸出電壓的紋波要求極高的場合外，開關(guān)電源已經(jīng)全面取代了線性穩(wěn)壓電源，主要用于小功率場合。例如：計算機、電視機、各種電子儀器的電源。在許多中等容量范圍內(nèi)，開關(guān)電源逐步取代了相控電源，例如：通信電源領(lǐng)域、電焊機、電鍍裝置等的電源。

　　開關(guān)電源作為一切電子電器設(shè)備的心臟，尤其在硬件行業(yè)中有著非常重要的地位。在研制高效開關(guān)電源，小功率一般用準諧振，中功率用半橋LLC，大功率用全橋LLC或移相全橋。