三電平全橋LLC電路原理詳解

三相模塊的母線電壓可以達到800V，如果DCDC仍然采用傳統的兩電平拓撲，那么DC MOS管必須采用1200V耐壓的MOS管。而目前市場上這樣的MOS管型號非常少，而且很貴。如果采用三電平拓撲，就可以繼續采用600V的MOS管了，型號豐富，成本也低。

三電平PWM控制已經得到了成熟應用，但是傳統的PWM拓撲整體效率低，所以在三電平的基礎上，又采用了LLC拓撲，該拓撲從成本、效率等方面都得到了很好的兼顧。

三電平全橋LLC主電路拓撲

電路說明：

1、諧振電感和諧振電容做成兩邊平衡的方式，是因為項目組在實驗過程中發現如果是單Lr, Cr模式，MOS驅動信號容易受干擾，拆成兩邊對稱放置以后，驅動可靠性提高；

三電平全橋LLC電路拓撲示意圖如圖（圖 五?3）所示，有8個開關管S1～S8，需要8路驅動信號來完成PFM（調頻）、PWM（調寬）控制，S1～S8對應的高精度驅動信號編號為PWM1～PWM8。

注：PWM并不單指控制策略采用PWM方式時的開關信號，也包括PFM方式時的開關信號。

三電平LLC電路拓撲框圖

在此三電平LLC電路控制中，設計8路驅動信號PWM1～PWM8，從（圖 五?4）的發波時序圖來看，這8路驅動有下面的關系：

1) PWM1和PWM4，PWM2和PWM3，PWM5和PWM8，PWM6和PWM7相位互補（不考慮死區時間Td2和提前關斷時間Td1）；

2) PWM1比PWM2提前Td1關斷，PWM4比PWM3提前Td1關斷，PWM5比PWM6提前Td1關斷，PWM8比PWM7提前Td1關斷；

根據控制策略需要，PWM1～PWM8可以實現高精度PFM/PWM/PSM（或者同時實現其中兩個狀態，如PFM+PWM），在三種控制狀態（PFM/PSM/PWM）下PWM1～PWM8在一個開關周期內的輸出波形如圖（圖 五?4）所示，以高電平（或者為低電平）為有效電平，當PWMx（x=1～8）為高時通過相應的驅動電路使得Sx導通，當PWMx為低時通過相應的驅動電路使得Sx斷開。

圖 五 4 高精度驅動信號時序圖

PFM/PSM/PWM三種工作態下的特性分別為：

1) 在PFM狀態時，通過環路控制改變開關頻率f（或者說Ts），開關頻率f在100kHz~250kHz之間調節，占空比固定為50%（不考慮死區時間Td2和提前關斷時間Td1），相移Tps為0；

2) 在PSM狀態時，通過環路控制改變相移Tps，移相功率角在0～100%之間調節， f固定為最高開關頻率250kHz，占空比固定為50%（不考慮死區時間Td2和提前關斷時間Td1）；

3) 在PWM狀態時，通過環路控制改變占空比，占空比在0～50%之間調節， f固定為最高開關頻率250kHz，相移Tps為0。

圖 五 5 PFM模態下主要工作原理和波形

以常用的PFM為例，來說明電路的主要工作原理和波形，如下圖 五?5：

模態 1[t0, t1]：在 t0 時刻，S1、S2、S7、S8同時開通。諧振網絡中的原邊電流 ip 流經上述開關管，并以正弦形式上升。同時因為變壓器副邊被輸出電壓鉗位，故而勵磁電流 im線性增加。副邊整流二極管中流過的電流取決于原邊電流 ip 和勵磁電流 im之差；

模態 2[t1, t2]：當原邊電流 ip 諧振過峰值并下降到和勵磁電流 im相等時，副邊二極管電流就減小為零，整流二極管 DR1 零電流關斷；

模態 3[t2, t3]：在 t2 時刻，S1 和 S8 先于 S2和 S7關斷。原邊諧振電流 ip開始對 S1和 S8的寄生電容 COSS1 和 COSS8 進行充電，同時對 S3/S4/ S5/S6 的寄生電容 COSS3 /COSS4/COSS5 /COSS6 放電，因此上述開關管的寄生電容也參與了諧振過程；

模態 4[t3, t4]：在 t3 時刻，COSS1 和 COSS8上的電壓上升到了 Vin/2，鉗位二極管 D1 和 D4導通，從而限制了電壓進一步上升。同時 COSS3+COSS4和 COSS5+ COSS6 上的電壓也被鉗位在Vin/2。此時原邊諧振電流流經 S2、S7 和 D1、D4 。

模態 5[t4, t5]：在 t4 時刻，開關管 S2 和 S7關斷。 與模態 3 相似， 諧振電流 ip 開始對 COSS2和COSS7進行充電和對COSS3+COSS4和 COSS5+ COSS6進行放電。所以此階段上述6個寄生電容也參與了諧振過程。與此同時 S3/S4 /S5/S6 的寄生體二極管導通，不但提供了電流回路使能量回饋至輸入端，也在變壓器上產生了反向的電壓偏置，使副邊整流二極管 DR2 導通，勵磁電感 Lm 被輸出電壓鉗位從而脫離諧振網絡。

在這一階段結束的 t5 時刻，COSS2 和 COSS7上的電壓為 Vin/2， COSS3~ COSS6 上的電壓保持在零，諧振電流 ip 流經 S3~S6 的寄生二極管，從而滿足了 S3~S6 零電壓開啟的條件。此時如果 S3~S6 的開通信號來臨，變流器將進入后半個工作周期。

PSM/PWM工作原理均與PFM類似，只是傳能階段的時間縮小了，即有效占空比減小，這樣便于在最高頻率受限的情況下，迅速的降低輸出電壓。