業(yè)界廣泛使用的LLC原理與設(shè)計(jì)

全諧振變換器主要由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振槽路組成，它使得流過開關(guān)管的電流變?yōu)檎叶皇欠讲?，然后設(shè)法使開關(guān)管在某一時(shí)刻導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)。

對(duì)于LLC而言，通常讓開關(guān)管在電流為負(fù)時(shí)導(dǎo)通。在導(dǎo)通前，電流從開關(guān)管的體內(nèi)二極管流過，開關(guān)管D-S之間電壓被箝位在0V（忽略二極管壓降），此時(shí)開通二極管，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通；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。

從上面的分析可以看出，要實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，開關(guān)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(duì)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(dāng)工作在重載的情況下的時(shí)候，由漏感，諧振電容和負(fù)載構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。

諧振頻率為:

當(dāng)LLC工作在空載的時(shí)候，由漏感，激磁電感和諧振電容構(gòu)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(shí)的諧振頻率要低于帶載時(shí)的諧振頻率。從其本質(zhì)上看，LLC電路實(shí)際上就是有兩個(gè)諧振點(diǎn)的串聯(lián)諧振電路。

對(duì)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(lì)的頻率高于諧振頻率。因此對(duì)于LLC，其最小開關(guān)頻率不能低于fR2. 從開關(guān)頻率與諧振頻率的關(guān)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(dāng)fs=fR1時(shí)的情況，此時(shí)LLC工作在完全諧振狀態(tài)。下面是當(dāng)fs=fR1時(shí)的工作波形。

在t0時(shí)刻前。上管Q1關(guān)斷，下管Q2導(dǎo)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(dǎo)通向負(fù)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(shí)刻正好完成半個(gè)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(guān)斷，實(shí)現(xiàn)ZCS。在死區(qū)時(shí)間t0-t1時(shí)段內(nèi)，激磁電流給Q1,Q2的輸出電容Coss1和Coss2充電，當(dāng)Coss1兩端的電壓為0V時(shí)，Q1的體二極管導(dǎo)通，電流通過體二極管流通，在t1時(shí)刻讓Q1導(dǎo)通，便可實(shí)現(xiàn)Q1的ZVS。

當(dāng)Q1導(dǎo)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(dǎo)通向負(fù)載提供能量。

隨著諧振電流逐漸增大，到t2時(shí)刻，諧振電流為正，順向流過Q1，直至Q1關(guān)斷。

t3-t4為死區(qū)時(shí)間，過程與t0-t1時(shí)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(dǎo)通期間的過程相同。從上面的波形可以看到，當(dāng)fs=fR1的時(shí)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(shí)的工作情況。當(dāng)fs=fR1,fs>fR1時(shí)，勵(lì)磁電感不參與諧振，其特性就是一個(gè)串聯(lián)諧振的特性。

在t0時(shí)刻前，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，諧振電流通過變壓器耦合到副邊，副邊二極管D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通，向負(fù)載傳遞能量。變壓器兩端的電壓被輸出箝位，勵(lì)磁電流線性增大。

到t0時(shí)刻，下管Q2關(guān)斷。原邊諧振電流向Coss1和Coss2充電，使Q1兩端電壓在死區(qū)結(jié)束前能降到0。由于fs>fR1,此時(shí)諧振電流大于勵(lì)磁電流。因此諧振電流迅速減小到勵(lì)磁電流。在諧振電流減小到勵(lì)磁電流前，變壓器副邊仍有電流流動(dòng)，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(dāng)協(xié)整電流等于勵(lì)磁電流的時(shí)候，D2的電流減小到0，實(shí)現(xiàn)ZCS.

在t1時(shí)刻前，Q1兩端的電壓為零，勵(lì)磁電流通過Q1的體二極管流通。此時(shí)使Q1開通，Q1便是ZVS。Q1導(dǎo)通后，Ls,Cr開始另一半周的諧振。副邊二極管D1導(dǎo)通。

在t2時(shí)刻，諧振電流反向。直至t3時(shí)刻Q1關(guān)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(dāng)fs>fR1時(shí)，LLC原邊實(shí)現(xiàn)ZVS，副邊實(shí)現(xiàn)ZCS，副邊二極管工作在電流斷續(xù)的狀態(tài)。

我們?cè)賮砜匆幌庐?dāng)fR2fsfR1時(shí)候的情況。當(dāng)fR2fsfR1時(shí)，開關(guān)周期長(zhǎng)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(shí)刻，上管Q1導(dǎo)通，下管關(guān)斷。Ls與Cr諧振，諧振電流反向流過Q1，副邊二極管D1導(dǎo)通，向負(fù)載提供能量。變壓器原邊被輸出箝位，勵(lì)磁電流線性增大。

在t1時(shí)刻，諧振電流反向，正向通過Q1。

由于fsfR1,開關(guān)周期長(zhǎng)于諧振周期。因此到t2時(shí)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(guān)斷。此后，Ls,Cr與原邊激磁電感Lp構(gòu)成諧振，由于諧振頻率很低，t2-t3的時(shí)間遠(yuǎn)小于開關(guān)周期，因此電流近似為線性變化。

在t3時(shí)刻，Q1關(guān)斷。原邊電流向Coss2充電，使下管Q2能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

t4時(shí)刻，Q2導(dǎo)通，開始另一半周的工作。其過程與t0-t4相同。

對(duì)于LLC的參數(shù)設(shè)計(jì)，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(diǎn)，開關(guān)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(lì)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(guān)鍵的LLC諧振槽路的設(shè)計(jì)。對(duì)于半橋網(wǎng)絡(luò)，只提供一個(gè)頻率可變，50%占空比的方波激勵(lì)。對(duì)于理想變壓器和輸出整流網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計(jì)，我們需要簡(jiǎn)化LLC諧振槽路的輸入輸出模型。對(duì)于諧振槽路，起主導(dǎo)作用的是激勵(lì)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(gè)LLC的電路，我們可以等效為如下的等效電路。

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

經(jīng)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(duì)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(jì)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(duì)于fn,通常我們希望它穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)，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(duì)于相同的Lr, 勵(lì)磁電感Lm要越小，開關(guān)管的損耗會(huì)增大。所以通常情況下，我們把K值取在3-7之間。

當(dāng)我們確定K值后，就可以得到一組Q值曲線。我們?nèi)绾稳ダ斫膺@個(gè)Q值曲線呢？當(dāng)我們的輸入和輸出電壓固定的時(shí)候，并且變壓器變比固定的時(shí)候，根據(jù)上面的公式，我們是可以得到一個(gè)固定的我們所需要的諧振槽路的增益M。當(dāng)對(duì)應(yīng)于某一個(gè)輸入電壓時(shí)，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(diǎn)，就是LLC在不同負(fù)載下的工作點(diǎn)。

從圖上我們可以看到，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，Q值也增大，Q值曲線左移，Q值曲線與Mx相交點(diǎn)的頻率是降低的。因此我們可以看到當(dāng)負(fù)載增加的時(shí)候，LLC的工作頻率是減小的。從物理意義上來講，當(dāng)負(fù)載阻抗Rac減小的時(shí)候，Lr與Cr構(gòu)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(gòu)成的串聯(lián)阻抗減小。因此，當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，LLC的開關(guān)頻率是減小的；當(dāng)負(fù)載減輕的時(shí)候，LLC的開關(guān)頻率是增大的。

從上面的分析我們可以看到，當(dāng)輸入輸出電壓，負(fù)載以及變壓器變比確定的時(shí)候，LLC的開關(guān)頻率就確定了，也就是LLC的工作點(diǎn)是確定的了。那么我們?nèi)绾稳フ{(diào)整這個(gè)工作點(diǎn)呢？

從上面的分析可以看出，LLC的工作點(diǎn)與增益有關(guān)。當(dāng)諧振參數(shù)確定后，唯一能改變?cè)鲆娴木褪亲儔浩鞯淖儽?。因此要改變LLC的開關(guān)頻率，只有通過改變變壓器的匝比來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于LLC，還有一個(gè)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(cè)為ZVS區(qū)域。因此我們可以找到Q值取值的最大值Qmax，它為L(zhǎng)LC最大的直流增益Mmax與Q值曲線相交的最大值，這一點(diǎn)是保證在Mmax下，也就是對(duì)應(yīng)最小頻率下能實(shí)現(xiàn)ZVS的臨界條件。如果選擇的Q值大于Qmax, LLC將會(huì)進(jìn)入ZCS區(qū)域。

可以通過對(duì)LLC諧振槽路的等效阻抗推導(dǎo)出Qmax.

在設(shè)計(jì)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(gè)頻率段，副邊二極管始終是ZCS。對(duì)于單個(gè)次級(jí)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(duì)于死區(qū)時(shí)間，是llc的一個(gè)重要參數(shù)。它跟勵(lì)磁電流，MOSFET的輸出電容和線路寄生電容有關(guān)。要使llc實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，就要使得在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，勵(lì)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(dá)到0v。但是如果死區(qū)時(shí)間太大的話，會(huì)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(shí)間。不過由于LLC變壓器的勵(lì)磁電感比較小，勵(lì)磁電流比較大，死區(qū)時(shí)間比較小。對(duì)于OCL,不知道你指的是什么。負(fù)載電流的平均值是由負(fù)載決定的，但有效值是隨波形變化的。在開關(guān)頻率高于諧振頻率時(shí)，由于原邊電流連續(xù)，副邊電流相對(duì)比較平緩，有效值較低，效率相對(duì)會(huì)比較高點(diǎn)。