業(yè)界廣泛使用的LLC原理與設計

全諧振變換器主要由開關網絡和諧振槽路組成，它使得流過開關管的電流變?yōu)檎叶皇欠讲?，然后設法使開關管在某一時刻導通，實現(xiàn)零電壓或零電流開關。

對于LLC而言，通常讓開關管在電流為負時導通。在導通前，電流從開關管的體內二極管流過，開關管D-S之間電壓被箝位在0V（忽略二極管壓降），此時開通二極管，可以實現(xiàn)零電壓開通；在關斷前，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斷。

從上面的分析可以看出，要實現(xiàn)零電壓開關，開關管的電壓必須滯后于電流。因此必須使諧振槽路始終工作在感性狀態(tài)。

對于LLC，其變壓器可以等效為激磁電感與理想變壓器的并聯(lián)。當工作在重載的情況下的時候，由漏感，諧振電容和負載構成串聯(lián)諧振回路。

諧振頻率為:

當LLC工作在空載的時候，由漏感，激磁電感和諧振電容構成串聯(lián)諧振回路。

諧振頻率為：

從上面我們可以看到在空載時的諧振頻率要低于帶載時的諧振頻率。從其本質上看，LLC電路實際上就是有兩個諧振點的串聯(lián)諧振電路。

對于諧振電路而言，要使其呈現(xiàn)感性狀態(tài)，必須使外加激勵的頻率高于諧振頻率。因此對于LLC，其最小開關頻率不能低于fR2. 從開關頻率與諧振頻率的關系來看，LLC的工作狀態(tài)分為fs=fR1, fs>fR1,fR2fsfR1三種工作狀態(tài)。

首先我們來看一下當fs=fR1時的情況，此時LLC工作在完全諧振狀態(tài)。下面是當fs=fR1時的工作波形。

在t0時刻前。上管Q1關斷，下管Q2導通。諧振電流通過Q2流通，變壓器向副邊傳遞能量，副邊二極管D2導通向負載提供能量。變壓器原邊被副邊電壓箝位，激磁電流線性上升。

由于fs=fR1，在t1時刻正好完成半個周期的諧振，諧振電流與激磁電流剛好相等。變壓器副邊無電流，二極管D2自然關斷，實現(xiàn)ZCS。在死區(qū)時間t0-t1時段內，激磁電流給Q1,Q2的輸出電容Coss1和Coss2充電，當Coss1兩端的電壓為0V時，Q1的體二極管導通，電流通過體二極管流通，在t1時刻讓Q1導通，便可實現(xiàn)Q1的ZVS。

當Q1導通后，諧振電流通過Q1反向流通，諧振電流大于激磁電流，副邊二極管D1導通向負載提供能量。

隨著諧振電流逐漸增大，到t2時刻，諧振電流為正，順向流過Q1，直至Q1關斷。

t3-t4為死區(qū)時間，過程與t0-t1時段相同。隨后下管Q2開通，開始另一半周的工作，其過程與Q1導通期間的過程相同。從上面的波形可以看到，當fs=fR1的時候，原邊電流波形為正弦波，Q1,Q2都是ZVS,副邊二極管D1,D2都是ZCS。

好久沒更新了，接下來我們講一下在fs>fR1時的工作情況。當fs=fR1,fs>fR1時，勵磁電感不參與諧振，其特性就是一個串聯(lián)諧振的特性。

在t0時刻前，Q1關斷，Q2導通，諧振電流通過變壓器耦合到副邊，副邊二極管D1關斷，D2導通，向負載傳遞能量。變壓器兩端的電壓被輸出箝位，勵磁電流線性增大。

到t0時刻，下管Q2關斷。原邊諧振電流向Coss1和Coss2充電，使Q1兩端電壓在死區(qū)結束前能降到0。由于fs>fR1,此時諧振電流大于勵磁電流。因此諧振電流迅速減小到勵磁電流。在諧振電流減小到勵磁電流前，變壓器副邊仍有電流流動，變壓器原邊仍被箝位，因此諧振電流的下降斜率為（Vc-n.Vo)/Lr, Vc為諧振電容上的電壓。副邊整流二極管D2上的電流逐漸減小，當協(xié)整電流等于勵磁電流的時候，D2的電流減小到0，實現(xiàn)ZCS.

在t1時刻前，Q1兩端的電壓為零，勵磁電流通過Q1的體二極管流通。此時使Q1開通，Q1便是ZVS。Q1導通后，Ls,Cr開始另一半周的諧振。副邊二極管D1導通。

在t2時刻，諧振電流反向。直至t3時刻Q1關斷，開始另一半周的工作，其工作過程與t0-t3相同。

由上面的分析和波形可以看出，當fs>fR1時，LLC原邊實現(xiàn)ZVS，副邊實現(xiàn)ZCS，副邊二極管工作在電流斷續(xù)的狀態(tài)。

我們再來看一下當fR2fsfR1時候的情況。當fR2fsfR1時，開關周期長于諧振周期，原邊激磁電感將參與工作。這種工作狀態(tài)，也正是LLC與傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路的區(qū)別所在。

在t0時刻，上管Q1導通，下管關斷。Ls與Cr諧振，諧振電流反向流過Q1，副邊二極管D1導通，向負載提供能量。變壓器原邊被輸出箝位，勵磁電流線性增大。

在t1時刻，諧振電流反向，正向通過Q1。

由于fsfR1,開關周期長于諧振周期。因此到t2時刻，諧振電流與諧振電流相等。副邊二極管電流降為0，自然關斷。此后，Ls,Cr與原邊激磁電感Lp構成諧振，由于諧振頻率很低，t2-t3的時間遠小于開關周期，因此電流近似為線性變化。

在t3時刻，Q1關斷。原邊電流向Coss2充電，使下管Q2能實現(xiàn)零電壓開通。

t4時刻，Q2導通，開始另一半周的工作。其過程與t0-t4相同。

對于LLC的參數(shù)設計，主要是確定：1，所希望的特性，輕載和滿載的特性，取決于K和Q；2，工作點，開關頻率是高于諧振頻率還是低于諧振頻率，主要取決于變壓器的匝比；3，確定參數(shù)，漏感和勵磁電感的大小，諧振電容的容值。

從前面的分析我們可以看到，LLC變換器最關鍵的LLC諧振槽路的設計。對于半橋網絡，只提供一個頻率可變，50%占空比的方波激勵。對于理想變壓器和輸出整流網絡，其增益是固定不變的。因此為了更好的研究LLC諧振槽路的特性及設計，我們需要簡化LLC諧振槽路的輸入輸出模型。對于諧振槽路，起主導作用的是激勵的基波成分。因此我們用基波等效（FHA)來等效輸入模型。

上面是一個LLC的電路，我們可以等效為如下的等效電路。

對于諧振槽路的輸入端，也就是Q1,Q2連接點，我們通常稱為半橋中點，其電壓波形為一個幅值為Vdc的方波，

經過傅里葉分解，我們可以得到它的基波為：

其有效值為

由于變壓器副邊繞組的電流為正弦波，對于全橋整流電路，

此分析同樣適用于全波整流，因此

得到輸入輸出的等效后，我們可以計算諧振槽路的增益。

從歸一化的增益公式，我們可以看到，影響LLC增益的因素有fn,k,Q. 對于fn,通常我們希望它穩(wěn)態(tài)時為1。所以我們先來討論下k的影響。我們可以改變k的數(shù)值，得到不同的Q值曲線圖。

從上面不同的Q值曲線上，我們可以看到，k值越小，Q值曲線越陡峭，要獲取相同增益時，頻率變化越小。

那么K值是不是越小越好呢？答案是K值并不是越小越好。K值越小，意味著相對于相同的Lr, 勵磁電感Lm要越小，開關管的損耗會增大。所以通常情況下，我們把K值取在3-7之間。

當我們確定K值后，就可以得到一組Q值曲線。我們如何去理解這個Q值曲線呢？當我們的輸入和輸出電壓固定的時候，并且變壓器變比固定的時候，根據(jù)上面的公式，我們是可以得到一個固定的我們所需要的諧振槽路的增益M。當對應于某一個輸入電壓時，我們需要諧振槽路提供的增益為Mx.我們可以在Q值曲線上畫一條Mx的直線，Mx這條直線和Q值曲線相交的點，就是LLC在不同負載下的工作點。

從圖上我們可以看到，當負載增大時，Q值也增大，Q值曲線左移，Q值曲線與Mx相交點的頻率是降低的。因此我們可以看到當負載增加的時候，LLC的工作頻率是減小的。從物理意義上來講，當負載阻抗Rac減小的時候，Lr與Cr構成的串聯(lián)諧振回路上的阻抗也要減小，以維持Rac上得到的分壓不變。只有通過降低頻率才能使Lr和Cr構成的串聯(lián)阻抗減小。因此，當負載加重時，LLC的開關頻率是減小的；當負載減輕的時候，LLC的開關頻率是增大的。

從上面的分析我們可以看到，當輸入輸出電壓，負載以及變壓器變比確定的時候，LLC的開關頻率就確定了，也就是LLC的工作點是確定的了。那么我們如何去調整這個工作點呢？

從上面的分析可以看出，LLC的工作點與增益有關。當諧振參數(shù)確定后，唯一能改變增益的就是變壓器的變比。因此要改變LLC的開關頻率，只有通過改變變壓器的匝比來實現(xiàn)。

對于LLC，還有一個很重要的參數(shù)就是Q值。我們來看一下熟悉的Q值曲線，從曲線上我們可以看到，Q值越小，Q值曲線越陡峭，Q值曲線的右側為ZVS區(qū)域。因此我們可以找到Q值取值的最大值Qmax，它為LLC最大的直流增益Mmax與Q值曲線相交的最大值，這一點是保證在Mmax下，也就是對應最小頻率下能實現(xiàn)ZVS的臨界條件。如果選擇的Q值大于Qmax, LLC將會進入ZCS區(qū)域。

可以通過對LLC諧振槽路的等效阻抗推導出Qmax.

在設計中，為了留有一定的裕量，我們通常取Q值為Qmax的90%-95%。

不管在哪個頻率段，副邊二極管始終是ZCS。對于單個次級二極管而言，電流始終是斷續(xù)的。不知道你為什么覺得是0.5fr1? 0.5fr1也不一定就大于fr2,這要看Lm和Lr的比例。

對于死區(qū)時間，是llc的一個重要參數(shù)。它跟勵磁電流，MOSFET的輸出電容和線路寄生電容有關。要使llc實現(xiàn)軟開關，就要使得在死區(qū)時間內，勵磁電流能抽走或者充滿MOSFET的輸出電容和線路上的寄生電容，才能使得LLC的MOSFET的D-S兩端電壓能達到0v。但是如果死區(qū)時間太大的話，會使得半橋的電壓利用率降低，使得原邊電流增大，不利于提高效率。所以要選擇合適的死區(qū)時間。不過由于LLC變壓器的勵磁電感比較小，勵磁電流比較大，死區(qū)時間比較小。對于OCL,不知道你指的是什么。負載電流的平均值是由負載決定的，但有效值是隨波形變化的。在開關頻率高于諧振頻率時，由于原邊電流連續(xù)，副邊電流相對比較平緩，有效值較低，效率相對會比較高點。