LLC諧振變換器作為諧振開關(guān)技術(shù)的重要拓撲之一，具有高效率，調(diào)壓特性好，寬負載變化范圍內(nèi)工作特性優(yōu)良等特點，應(yīng)用場景廣闊。本篇文章對LLC變換器的常見拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式以及工作模態(tài)進行講解。

一、拓撲構(gòu)成

LLC諧振變換器電路拓撲主要包含開關(guān)電路、諧振電路以及整流電路三個部分。LLC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)多樣，下面是兩種常見的電路結(jié)構(gòu)。以全橋LLC變換器為例，開關(guān)電路為由開關(guān)器件S1~S4構(gòu)成的全橋逆變電路；諧振電路包含諧振電感Lr、諧振電容Cr以及勵磁電感Lm，并與變壓器原邊連接；變壓器副邊為由二極管D1、D2構(gòu)成的全波不控整流電路，與輸出電容Cf連接后接入負載。

LLC諧振變換器常用的調(diào)制方式有脈沖頻率調(diào)制（PFM）、移相調(diào)制（PSM）以及脈沖寬度調(diào)制（PWM）。由于LLC變換器的諧振特性，脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式最為常用。此外為了提升變換器的工作性能，一些混合控制方式被陸續(xù)提出。各種常用調(diào)制方式的電壓增益范圍、控制參數(shù)以及調(diào)制特點如下。

三、工作原理分析

本篇以常用的PFM調(diào)制模式為例，對全橋LLC變換電路進行工作模態(tài)分析。LLC串聯(lián)諧振電路包含兩個諧振頻率，一個是由諧振電感Lr、諧振電容Cr與勵磁電感Lm諧振產(chǎn)生的第一諧振頻率fm，另一個是由諧振電感Lr與諧振電容Cr產(chǎn)生的第二諧振頻率fr，兩者表達式如下：

兩個諧振頻率將變換器的工作區(qū)間分為三段：fs<fm，fm<fs<fr以及fs>fr。當fs<fm時電路無法實現(xiàn)ZVS，開關(guān)損耗較大，變換器一般不會工作在此區(qū)域。

常用變換器的工作模式分為：欠諧振模式（fm<fs<fr）、準諧振模式（fs=fr）以及過諧振模式（fs>fr）。

下面以欠諧振模式為例進行電路工作模態(tài)分析。

3.1 工作模態(tài)1（t0~t1）：

在t0時刻，S1、S4開始導(dǎo)通，此時開關(guān)器件兩端的二極管處于續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)，因此S1、S4為零電壓導(dǎo)通。

該模態(tài)下Lr、Cr發(fā)生諧振，諧振腔為感性，諧振電流Ir相位滯后于電壓，電流為負并迅速減小。副邊二極管D1導(dǎo)通，Lm兩端電壓被鉗位，勵磁電流線性減小。負載端能量由勵磁電感Lm提供。

3.2 工作模態(tài)2（t1~t2）：

S1、S4繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電流Ir變?yōu)檎较?，S1、S4內(nèi)部開始流過電流。

此模態(tài)下，二極管D1保持導(dǎo)通，Lm兩端電壓仍被鉗位，勵磁電流緩慢上升并保持負方向， 負載端能量由母線及勵磁電感共同提供，該模態(tài)下電路中由Lr、Cr發(fā)生諧振。

3.3 工作模態(tài)3（t2~t3）：

勵磁電感繼續(xù)保持被副端鉗位的狀態(tài)，諧振腔由Lr、Cr組成。

勵磁電流ILm變?yōu)檎较?，與諧振電流Ir同方向，此時母線同時向勵磁電感與負載提供能量。由于諧振作用，在該模態(tài)結(jié)束時，諧振電流迅速減小至與勵磁電流相等。

3.4 工作模態(tài)4（t3~t4）：

此模態(tài)內(nèi)諧振電流Ir和勵磁電流ILm保持相等。

變壓器原端電流下降為0，不再向負端進行能量傳遞，副邊二極管D1電流降為零關(guān)斷，輸出電壓由輸出電容提供。副端電壓對勵磁電感的鉗位作用消失，諧振腔由Lr、Cr和Lm組成。由于Lm>>Lr，可以近似為此時的諧振電流不變。

3.5工作模態(tài)5（t4~t5）：

t4~t5為死區(qū)時間，四個開關(guān)器件全部關(guān)斷。

在諧振電流的作用下，電源給S1、S4的寄生電容充電，給S2、S3的寄生電容放電，結(jié)束后S1、S4并聯(lián)二極管續(xù)流，為其后續(xù)零電壓開通提供條件。

此時整流二極管D2開始導(dǎo)通，勵磁電感被副端電壓鉗位，退出諧振腔。此時負載能量由勵磁電感提供。

t5時刻后，S2、S3零點壓開通，后半周期工作過程與前半周期類似，這里就不做詳細講解。

準諧振模式（fs=fr）

過諧振模式（fs>fr）

四、常見問答

1）為什么中小功率電源LLC網(wǎng)絡(luò)要在感性區(qū)域工作？

LLC網(wǎng)絡(luò)存在感性、容性和純阻性三種狀態(tài)。工作在純阻性區(qū)域時網(wǎng)絡(luò)具有最高的品質(zhì)因素和最佳的網(wǎng)絡(luò)特性；工作在容性區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)零電流切換（ZCS）關(guān)斷，適合使用IGBT；工作在感性區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)容易實現(xiàn)零電壓切換（ZVS）開通，比較適合使用MOSFET。由于中小功率電源普遍使用MOSFET，因此常規(guī)的LLC拓撲開關(guān)電源選擇在感性區(qū)域工作。

2）ZVS1和ZVS2各有什么優(yōu)缺點，如何選擇？

LLC網(wǎng)絡(luò)的增益曲線下圖所示。ZVS1區(qū)不能實現(xiàn)次級整流管的零電流切換（ZCS）關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問題；而在ZVS2區(qū)可以實現(xiàn)次級整流管的ZCS關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問題。從理論上講，工作在ZVS2區(qū)域的效率高于ZVS1區(qū)域，同時也要考慮短路性能等問題，建議選擇略大于諧振點的工作點。

3）LLC初級MOSFET是ZVS關(guān)斷還是ZCS關(guān)斷？

LLC工作在感性區(qū)域時MOSFET可以實現(xiàn)ZVS開通，但器件關(guān)斷既不是ZVS也不是ZCS，是一個硬關(guān)斷過程，關(guān)斷損耗不可避免。對于MOSFET而言，開通損耗相對關(guān)斷損耗大很多。因此LLC變換器是通過減少開通損耗以達到電路效率的提升。

4）滿足ZVS的兩個必要條件是什么？

首先，LLC電路在其整個負載范圍內(nèi)都必須處于感性區(qū)域，這是最基本的條件。

其次，還有一個常常被忽視的條件。為了實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，勵磁電感的峰值電流須在死區(qū)時間內(nèi)完成導(dǎo)通開關(guān)管的結(jié)電容放電，以及關(guān)斷開關(guān)管結(jié)電容充電。

因此，勵磁電感峰值電流(Ipk)與死區(qū)時間(tdead)應(yīng)滿足：

其中，Vin為輸入電壓，Cj為MOSFET的結(jié)電容，tdead為死區(qū)時間。而Ipk與勵磁電感關(guān)系如下：

其中，Vo為輸出電壓，T為開關(guān)周期，Lm為勵磁電感。因此Lm的值應(yīng)滿足以下不等式：

從上式得出的最大勵磁電感Lm可以確保開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，但較小的Lm將增加MOSFET的開關(guān)損耗。通過使用被動負載Lm，可以確保在任何負載情況下都能工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)下。

LLC諧振變換器由于工作效率高、工作電壓范圍寬，在汽車制造，光電、通信以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域中均有應(yīng)用。本篇對LLC諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)、控制方式以及常見的全橋LLC變換器的工作原理進行講解，接下來我們將對LLC諧振變換器拓撲進行建模仿真，并分析其控制策略。