白話LLC諧振變換器的基本原理

諧振變換器興起原因

LLC作為一種典型的諧振變換器，它的興起有以下兩個因素：

高頻運行降低無源器件尺寸

開關電源功率密度的提高，受到無源器件尺寸的限制。采用高頻運行，可以大大降低無源器件（如變壓器和濾波器）的尺寸。

諧振軟開關減小高頻運行損耗

提高運行頻率，開關損耗勢必會增加。諧振變換器由于能實現軟開關，有效地減小開關損耗和容許高頻運行，所以在高頻功率變換領域得到廣泛的重視和研究。

諧振變換器與LLC

諧振變換器分類

諧振變換器有多種不同的分類方法，根據負載與諧振電路的連接關系，諧振變換器可以分為串聯諧振變換器、并聯諧振變換器、以及串并聯諧振變換器。LLC就屬于串并聯諧振變換器 。

諧振變換器基本工作原理

諧振變換器的結構如下圖所示

交流方波電壓或電流加在諧振網絡兩端，產生高頻諧振，諧振電壓或電流經過整流和濾波后，轉變成直流電壓或電流，從而實現直流-直流變換（DC-DC）。

LLC變換器的特點

與傳統PWM（脈寬調節）變換器不同， LLC是一種通過控制開關頻率（頻率調節）來實現輸出電壓恒定的諧振電路 。

LLC變換器拓撲

半橋LLC

也稱非對稱半橋LLC，一般用于小功率場合，具有開關管數量少等特點。

電容分立半橋LLC

也稱對稱半橋LLC，工作原理與對稱半橋LLC一樣，只是諧振電容容量小，電流峰值也會較小。

全橋LLC

全橋LLC開關管相對于半橋LLC多，適用于大功率場合。

LLC諧振電路由開關網絡（半橋或全橋）、諧振電容（C）、諧振電感（L）、變壓器勵磁電感（L）、變壓器和整流器組成 。

學習LLC，必須弄清楚以下兩個基本問題：1） LLC如何實現軟開關2） LLC如何改變電壓增益

諧振軟開關

開關損耗與軟開關

如下圖所示，普通拓撲的開關管都是硬開關， 在導通和關斷時MOS管的漏源極電壓VDS和電流IDS會產生交疊，電壓與電流交疊的區域，即為MOS管的導通損耗和關斷損耗 。

為了降低開關管的開關損耗，提高電源的效率，有零**電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）**兩種軟開關辦法。

零電壓開關（ZVS）

使開關開通前其兩端電壓為零，也稱為零電壓開通，此時開關開通時漏源極電壓VDS和電流IDS乘積為零，即開通損耗為零。

零電流開關（ZCS）

使電流關斷前其電流為零，也稱為零電流關斷，此時開關開通時漏源極電壓VDS和電流IDS乘積為零，即關斷損耗為零。

**由于開關損耗與流過開關管的電流和開關管上的電壓的乘積（V*I）有關，**當采用ZVS零電壓導通時，開關管上的電壓幾乎為零，所以導通損耗非常低。 LLC正是實現了ZVS零電壓開關 。

LLC如何實現軟開關

要實現零電壓開關，開關管的電流必須滯后于電壓，使諧振槽路工作在感性狀態。

**LLC開關管在導通前，**電流先從開關MOS管的體二極管（S到D）內流過，開關MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V（二極管壓降），此時讓開關MOS管導通，可以實現零電壓導通。

MOS管VDS電壓和電流波形如下圖所示，可以看出， 在MOS開通（VDS降為0）時刻，MOS管電流為負值（中間圖藍色部分），說明電流反向流經MOS體二極管，開關MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V附近，此時MOS導通即可實現零電壓開通 。

LLC如何改變電壓增益

由簡單的諧振電路說起

我們將以電感和電容的基本電路特性逐漸了解諧振電路的特性。

與電阻不同，電感和電容都不是純阻性線性器件， 電感的感抗XL和電容的容抗Xc都與頻率有關，當加在電感和電容上的頻率發生變化時，它們的感抗XL和容抗Xc會發生變化 。

1） RL電路

**如下圖RL電路，**當輸入源Vin的頻率增加時，電感的感抗增大，輸出電壓減小， 增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而減小 。

2） RC電路

如下圖RC電路，相反， 當輸入源Vin的頻率增加時，電容的容抗減小，輸出電壓增大，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加 。

3） LC電路

如下圖LC諧振電路，我們將L和C都引入電路中，可以發現， 當輸入電壓源的頻率從0開始向某一頻率f0增加時，LC電路呈容性（容抗＞感抗），增益隨頻率增加而增加，當從這一頻率再向右邊增加時，LC電路呈感性（感抗＞容抗），增益隨頻率增加而降低 。

這一頻率f0即為諧振頻率（此時感抗=容抗），諧振時電路呈純電阻性，增益最大。

4） LLC諧振電路

對于LLC諧振電路，可以得到與LC諧振電路類似趨勢的增益曲線， 峰值左側呈容性（容抗＞感抗），增益隨頻率增加而增加，右側呈感性（感抗＞容抗），增益隨頻率增加而降低 。

LLC輸出穩定電壓的原理

由以上介紹可知，我們可以通過調節輸入電壓源的頻率，使整個電路呈現為不同的等效阻抗，如純阻性、感性和容性，對應不同的增益曲線，進而達到調節輸出電壓的目的**。**

將LLC電路等效分析，得到如下簡化電路。 當交流等效負載Rac變化時，系統通過調整工作頻率，改變Zr和Zo的等效阻抗，從而改變分壓比，使得輸出電壓穩定 ，LLC就是這樣穩定輸出電壓的 。