LLC的工作原理（第 I 部分）：電源開關(guān)和諧振腔

LLC 諧振變換器因能滿足現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)苛刻的性能要求而成為電力電子領(lǐng)域的熱門話題。 LLC 屬于龐大的諧振變換器拓?fù)浼易逑盗?，?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/諧振腔">諧振腔是該拓?fù)湎盗械幕A(chǔ)特征。諧振腔是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振蕩的電感器和電容器組成的電路。

這種開關(guān)模式的 DC/DC 電源變換器允許采用更高的開關(guān)頻率 (fSW) 并且降低了開關(guān)損耗，因此更適用于高功率和高效率應(yīng)用。LLC 諧振變換器是具有精密系統(tǒng)（即高端消費(fèi)電子產(chǎn)品）或更高運(yùn)行功率要求（即為電動(dòng)汽車充電）的電源應(yīng)用理想之選。

LLC 變換器由 4 個(gè)模塊組成：電源開關(guān)、諧振腔、變壓器和二極管整流器（參見圖 1）。MOSFET 功率開關(guān)首先將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波；隨后方波進(jìn)入諧振腔，由諧振腔消除方波的諧波并輸出基頻的正弦波；正弦波再通過高頻變壓器傳輸?shù)阶儞Q器的副邊，并根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)電壓進(jìn)行升壓或降壓；最后，二極管整流器將正弦波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出。

圖 1：簡化 LLC 變換器的電路原理圖

LLC 變換器因其諧振特性，即使在非常高的功率下也能保持高效率。該特性同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原邊和副邊的軟開關(guān)功能，它降低了開關(guān)損耗，從而提高了效率。

另外，LLC 拓?fù)溥€能夠節(jié)省電路板空間，因?yàn)樗恍枰敵鲭姼衅?。這意味著所有電感器都可以輕松集成到單個(gè)磁性結(jié)構(gòu)中，從而節(jié)省面積和成本。當(dāng)電路的所有電感元件都位于同一個(gè)結(jié)構(gòu)中時(shí)，其電磁兼容性將得到極大的改善；因?yàn)槠帘螁蝹€(gè)結(jié)構(gòu)比屏蔽三個(gè)結(jié)構(gòu)一定更容易，也更便宜。

電源開關(guān)

電源開關(guān)可以采用全橋或半橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，每種拓?fù)涠季邆渥约邯?dú)特的輸出波形（參見圖 2）。

圖2: 電源開關(guān)拓?fù)?/p>

這兩種拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于：全橋拓?fù)渖傻姆讲]有直流偏移，幅度等于輸入電壓 (VIN).；半橋拓?fù)鋭t產(chǎn)生一個(gè)偏移 (VIN / 2)的方波，因此幅度僅為全橋波的一半。

每種拓?fù)涠加衅渥陨淼膬?yōu)缺點(diǎn)。全橋拓?fù)湫枰嗟木w管，因此實(shí)施成本更高。而且，添加的晶體管會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)電阻(RDS(ON))增加，從而增加傳導(dǎo)損耗；但另一方面，全橋?qū)崿F(xiàn)可以將必要的變壓器匝數(shù)比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地減少變壓器中的銅損。

半橋拓?fù)涞膶?shí)施則更具成本效益，而且，它可以將電容器兩端的 RMS 電流降低約 15%；不過，這種拓?fù)鋾?huì)增加開關(guān)損耗。

權(quán)衡利弊之后，通常建議在功率低于 1kW 的應(yīng)用中采用半橋功率開關(guān)拓?fù)?，而在更高功率?yīng)用中則采用全橋拓?fù)洹?/p>

諧振腔

諧振腔由諧振電容器 (CR) 和兩個(gè)電感器組成：諧振電感器 (LR)與電容器和變壓器串聯(lián)，勵(lì)磁電感器 (LM)則與之并聯(lián)。諧振腔的作用是濾除方波的諧波，將基頻開關(guān)頻率的正弦波輸出到變壓器的輸入端。

圖 3：帶原邊參考負(fù)載的 LLC 諧振腔示意圖

諧振腔的增益隨頻率和副邊負(fù)載而變化（參見圖 4）。設(shè)計(jì)人員需調(diào)整這些參數(shù)，以確保變換器在寬負(fù)載范圍內(nèi)均高效運(yùn)行。具體方法為，設(shè)計(jì)諧振腔的增益值，使其在所有負(fù)載條件下均超過 1。

圖 4：不同負(fù)載條件下的諧振增益響應(yīng)

LLC 變換器因諧振腔的雙電感器而具有寬工作范圍與高效率。要了解其原理，首先要了解諧振腔采用不同電感器時(shí)，在重載和輕載條件下的響應(yīng)。

當(dāng)諧振腔僅由諧振電容器和勵(lì)磁電感器組成時(shí)，圖 5 顯示了諧振腔在不同負(fù)載條件下的增益。在輕載下，諧振腔增益有一個(gè)明顯的峰值；但重載下的增益不僅沒有峰值，反而有阻尼響應(yīng)，并且只在非常高的頻率下才達(dá)到單位增益。

圖 5：具有并聯(lián)電感器的 LC 諧振腔增益響應(yīng)和示意圖

當(dāng)諧振腔僅由串聯(lián)的諧振電容器和諧振電感器 (LR) 組成時(shí)，結(jié)果則不同。其增益不會(huì)超過 1，但當(dāng)負(fù)載最大時(shí)，諧振腔達(dá)到單位增益的速度要比并聯(lián)電感器快得多。

圖 6：具有串聯(lián)電感器的 LC 諧振腔增益響應(yīng)和示意圖

如果諧振腔中同時(shí)帶兩種電感器，則產(chǎn)生的頻率增益響應(yīng)可確保變換器充分響應(yīng)更大的負(fù)載范圍；而且，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)負(fù)載范圍的穩(wěn)定控制（參見圖 4）。此時(shí)的 LLC 諧振腔具有兩個(gè)諧振頻率 (fR and fM)，可分別由公式 (1) 和公式 (2) 計(jì)算得出。

諧振腔的增益響應(yīng)取決于三個(gè)參數(shù)：負(fù)載、歸一化電感和歸一化頻率。

負(fù)載通過品質(zhì)因數(shù) (Q) 來表示，它取決于連接到輸出的負(fù)載。但直接采用負(fù)載值并不準(zhǔn)確，因?yàn)樵谥C振腔輸出和負(fù)載之間還有一個(gè)變壓器和一個(gè)整流器（參見圖 1）。因此，我們必須為負(fù)載提供一個(gè)主參考值，即 RAC. RAC 和 Q 可以分別用公式 (3) 和公式 (4) 來估算： 

歸一化頻率 (fN) 定義為 MOSFET 開關(guān)頻率 (fSW) 與諧振腔諧振頻率 (fR)之間的比率。 fN 可以通過公式 (5) 計(jì)算：

歸一化電感 (LN)表示諧振電感和勵(lì)磁電感之間的關(guān)系，用公式 （6）來估算：

有了以上參數(shù)，就可以利用公式 (7) 來計(jì)算變換器的增益響應(yīng)了：

請(qǐng)注意，以上計(jì)算均采用一次諧波分析 (FHA) 進(jìn)行。這種方法之所以適用，是因?yàn)槲覀円鸭僭O(shè) LLC 是在諧振頻率 (fR)內(nèi)運(yùn)行的。通過應(yīng)用傅里葉分析，諧振腔的輸入是由多個(gè)具有不同幅度和頻率的正弦波組成的方波。由于諧振腔可濾除所有與基頻 fSW頻率不同的正弦波，所以我們可以忽略除基頻正弦波之外的所有波，這可以大大簡化我們的分析。

軟開關(guān)

LLC 變換器的另一個(gè)常見特性是其軟開關(guān)能力。

軟開關(guān)功能旨在通過利用電流的自然上升與下降、以及電路內(nèi)部電壓來降低開關(guān)損耗，以確保電子開關(guān)在最有效的時(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)斷。如果在電流近似為零時(shí)開關(guān)，稱為零電流開關(guān) (ZCS)。如果在低電壓下開關(guān)，稱為零電壓開關(guān) (ZVS)。LLC 變換器憑借其諧振特性，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) ZVS 和 ZCS。

圖 7 顯示了 LLC 變換器的四種基本工作模式。模式 1 和模式 3 為標(biāo)準(zhǔn)的 LLC 操作，如前文所述。在模式 1 中，電流從電源輸送到諧振腔和變壓器副邊（Q1 導(dǎo)通，Q2 關(guān)斷）。在模式 3 中，存儲(chǔ)在諧振腔中的剩余功率被傳輸?shù)阶儔浩鞯母边?，其電流的流?dòng)方向與模式 1 中相反（Q1 關(guān)斷，Q2 導(dǎo)通）。ZVS 在模式 2 和模式 4 中出現(xiàn)，此時(shí)兩個(gè)開關(guān)均關(guān)斷；期間，電流流過晶體管的體二極管（例如模式 2 中的 Q2，或模式 4 中的 Q1），這也稱為續(xù)流。

圖 7：LLC 工作模式原理圖

受體二極管的小壓降限制，續(xù)流導(dǎo)致晶體管兩端的電壓 (VDS) 下降，直至接近零值。此時(shí)，兩個(gè)柵極信號(hào)都為低電平，當(dāng)電路從模式 2 轉(zhuǎn)換到模式 3 、或模式 4 轉(zhuǎn)換到模式 1 時(shí)，晶體管兩端的電壓接近于零，這最大限度地降低了開關(guān)損耗。

圖 8：LLC 工作模式信號(hào)

結(jié)論

了解 LLC 諧振腔工作原理對(duì)設(shè)計(jì) LLC變換器至關(guān)重要。諧振腔的諧振特性使LLC變換器可以在寬負(fù)載和功率范圍內(nèi)保持高效且穩(wěn)定的運(yùn)行，因此廣受歡迎。不過，這種諧振也要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電路參數(shù)時(shí)需非常謹(jǐn)慎，因?yàn)橹C振腔的增益響應(yīng)受大量參數(shù)的影響，其中包括負(fù)載和變換器的工作點(diǎn)（見公式 (7)）。

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來源：MPS芯源系統(tǒng)