LLC谐振变换器拓扑构成与工作原理分析

 

LLC谐振变换器作为谐振开关技术的重要拓扑之一，具有高效率、调压特性好、宽负载变化范围内工作特性优良等特点，广泛应用于电源供应、电动汽车充电、LED照明、太阳能电池板系统以及工业自动化等多个领域。

本文将带大家深入剖析LLC谐振变换器的常见拓扑结构、调制方式以及工作模态。

LLC谐振变换器拓扑构成

LLC谐振变换器电路拓扑主要包含：开关电路、谐振电路以及整流电路三个部分。它的拓扑结构多样，下面是两种常见的电路结构。

以全桥LLC变换器为例：

开关电路为由开关器件S1~S4构成的全桥逆变电路；谐振电路包含谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm，并与变压器原边连接；变压器副边为由二极管D1、D2构成的全波不控整流电路，与输出电容Cf连接后接入负载。

调制方式

LLC谐振变换器常用的调制方式有：脉冲频率调制（PFM）、移相调制（PSM）以及脉冲宽度调制（PWM）。

由于LLC变换器的谐振特性，脉冲频率调制（PFM）方式最为常用。此外，为了提升变换器的工作性能，一些混合控制方式也被陆续提出。

这里为大家整理了各种常用调制方式的电压增益范围、控制参数以及调制特点，可用作参考。

工作原理分析

本文我们以常用的PFM调制模式为例，对全桥LLC变换电路进行工作模态分析。

LLC串联谐振电路包含两个谐振频率。一个是由谐振电感Lr、谐振电容Cr与励磁电感Lm谐振产生的第一谐振频率fm，另一个是由谐振电感Lr与谐振电容Cr产生的第二谐振频率fr，两者表达式如下：

两个谐振频率将变换器的工作区间分为三段：fsm，fmsr以及fs>fr。当fsm时电路无法实现ZVS，开关损耗较大，变换器一般不会工作在此区域。

常用变换器的工作模式分为：欠谐振模式（fmsr）、准谐振模式（fs=fr）以及过谐振模式（fs>fr）。

下面以欠谐振模式为例进行电路工作模态分析。

■工作模态1（t0~t1）：
 

在t0时刻，S1、S4开始导通，此时开关器件两端的二极管处于续流导通状态，因此S1、S4为零电压导通。

该模态下Lr、Cr发生谐振，谐振腔为感性，谐振电流Ir相位滞后于电压，电流为负并迅速减小。副边二极管D1导通，Lm两端电压被钳位，励磁电流线性减小。负载端能量由励磁电感Lm提供。

■工作模态2（t1~t2）：

S1、S4继续保持导通状态，谐振电流Ir变为正方向，S1、S4内部开始流过电流。

此模态下，二极管D1保持导通，Lm两端电压仍被钳位，励磁电流缓慢上升并保持负方向，负载端能量由母线及励磁电感共同提供，该模态下电路中由Lr、Cr发生谐振。

■工作模态3（t2~t3）：

励磁电感继续保持被副端钳位的状态，谐振腔由Lr、Cr组成。

励磁电流ILm变为正方向，与谐振电流Ir同方向，此时母线同时向励磁电感与负载提供能量。由于谐振作用，在该模态结束时，谐振电流迅速减小至与励磁电流相等。

■工作模态4（t3~t4）：

此模态内谐振电流Ir和励磁电流ILm保持相等。

变压器原端电流下降为0，不再向负端进行能量传递，副边二极管D1电流降为零关断，输出电压由输出电容提供。副端电压对励磁电感的钳位作用消失，谐振腔由Lr、Cr和Lm组成。由于Lm>>Lr，可以近似为此时的谐振电流不变。

■工作模态5（t4~t5）：

t4~t5为死区时间，四个开关器件全部关断。

在谐振电流的作用下，电源给S1、S4的寄生电容充电，给S2、S3的寄生电容放电，结束后S1、S4并联二极管续流，为其后续零电压开通提供条件。

此时整流二极管D2开始导通，励磁电感被副端电压钳位，退出谐振腔。此时负载能量由励磁电感提供。

t5时刻后，S2、S3零点压开通，后半周期工作过程与前半周期类似，这里就不做详细讲解。

准谐振模式与过谐振模式的关键波形如图，感兴趣的朋友可以根据关键波形进行模态分析。

LLC常见问答

�为什么中小功率电源LLC网络要在感性区域工作？

LLC网络存在感性、容性和纯阻性三种状态。

①工作在纯阻性区域时，网络具有最高的品质因素和最佳的网络特性；

②工作在容性区域，网络实现零电流切换（ZCS）关断，适合使用IGBT；

③工作在感性区域，网络容易实现零电压切换（ZVS）开通，比较适合使用MOSFET。由于中小功率电源普遍使用MOSFET，因此常规的LLC拓扑开关电源选择在感性区域工作。

�ZVS1和ZVS2各有什么优缺点，如何选择？

LLC网络的增益曲线下图所示。

ZVS1区不能实现次级整流管的零电流切换（ZCS）关断，存在反向恢复问题；而在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断，不存在反向恢复问题。

从理论上讲，工作在ZVS2区域的效率高于ZVS1区域，同时也要考虑短路性能等问题，建议选择略大于谐振点的工作点。

�LLC初级MOSFET是ZVS关断还是ZCS关断？

LLC工作在感性区域时MOSFET可以实现ZVS开通，但器件关断既不是ZVS也不是ZCS，是一个硬关断过程，关断损耗不可避免。

对于MOSFET而言，开通损耗相对关断损耗大很多。因此LLC变换器是通过减少开通损耗以达到电路效率的提升。

�满足ZVS的两个必要条件是什么？

首先，LLC电路在其整个负载范围内都必须处于感性区域，这是最基本的条件。

其次，还有一个常常被忽视的条件。为了实现开关管的ZVS，励磁电感的峰值电流须在死区时间内完成导通开关管的结电容放电，以及关断开关管结电容充电。

因此，励磁电感峰值电流(Ipk)与死区时间(tdead)应满足：

其中，Vin为输入电压，Cj为MOSFET的结电容，tdead为死区时间。而Ipk与励磁电感关系如下：

其中，Vo为输出电压，T为开关周期，Lm为励磁电感。因此Lm的值应满足以下不等式：

从上式得出的最大励磁电感Lm可以确保开关管实现ZVS，但较小的Lm将增加MOSFET的开关损耗。通过使用被动负载Lm，可以确保在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。

到这里，我们对LLC谐振变换器的电路结构、控制方式以及常见的全桥LLC变换器的工作原理及常见问题就都分享完成啦。可能还有很多常见问题，我们没有列出来，也欢迎大家给留言沟通，小编随时待命！您的留言很有可能就出现在我们下一期的内容中了哦。