LLC諧振變換器拓撲構成與工作原理分析

LLC諧振變換器作為諧振開關技術的重要拓撲之一，具有高效率、調壓特性好、寬負載變化范圍內工作特性優良等特點，廣泛應用于電源供應、電動汽車充電、LED照明、太陽能電池板系統以及工業自動化等多個領域。

本文將帶大家深入剖析LLC諧振變換器的常見拓撲結構、調制方式以及工作模態。

LLC諧振變換器拓撲構成

LLC諧振變換器電路拓撲主要包含：開關電路、諧振電路以及整流電路三個部分。它的拓撲結構多樣，下面是兩種常見的電路結構。

以全橋LLC變換器為例：

開關電路為由開關器件S1~S4構成的全橋逆變電路；諧振電路包含諧振電感Lr、諧振電容Cr以及勵磁電感Lm，并與變壓器原邊連接；變壓器副邊為由二極管D1、D2構成的全波不控整流電路，與輸出電容Cf連接后接入負載。

調制方式

LLC諧振變換器常用的調制方式有：脈沖頻率調制（PFM）、移相調制（PSM）以及脈沖寬度調制（PWM）。

由于LLC變換器的諧振特性，脈沖頻率調制（PFM）方式最為常用。此外，為了提升變換器的工作性能，一些混合控制方式也被陸續提出。

這里為大家整理了各種常用調制方式的電壓增益范圍、控制參數以及調制特點，可用作參考。

工作原理分析

本文我們以常用的PFM調制模式為例，對全橋LLC變換電路進行工作模態分析。

LLC串聯諧振電路包含兩個諧振頻率。一個是由諧振電感Lr、諧振電容Cr與勵磁電感Lm諧振產生的第一諧振頻率fm，另一個是由諧振電感Lr與諧振電容Cr產生的第二諧振頻率fr，兩者表達式如下：

兩個諧振頻率將變換器的工作區間分為三段：fsm，fmsr以及fs>fr。當fsm時電路無法實現ZVS，開關損耗較大，變換器一般不會工作在此區域。

常用變換器的工作模式分為：欠諧振模式（fmsr）、準諧振模式（fs=fr）以及過諧振模式（fs>fr）。

下面以欠諧振模式為例進行電路工作模態分析。

■工作模態1（t0~t1）：

在t0時刻，S1、S4開始導通，此時開關器件兩端的二極管處于續流導通狀態，因此S1、S4為零電壓導通。

該模態下Lr、Cr發生諧振，諧振腔為感性，諧振電流Ir相位滯后于電壓，電流為負并迅速減小。副邊二極管D1導通，Lm兩端電壓被鉗位，勵磁電流線性減小。負載端能量由勵磁電感Lm提供。

■工作模態2（t1~t2）：

S1、S4繼續保持導通狀態，諧振電流Ir變為正方向，S1、S4內部開始流過電流。

此模態下，二極管D1保持導通，Lm兩端電壓仍被鉗位，勵磁電流緩慢上升并保持負方向，負載端能量由母線及勵磁電感共同提供，該模態下電路中由Lr、Cr發生諧振。

■工作模態3（t2~t3）：

勵磁電感繼續保持被副端鉗位的狀態，諧振腔由Lr、Cr組成。

勵磁電流ILm變為正方向，與諧振電流Ir同方向，此時母線同時向勵磁電感與負載提供能量。由于諧振作用，在該模態結束時，諧振電流迅速減小至與勵磁電流相等。

■工作模態4（t3~t4）：

此模態內諧振電流Ir和勵磁電流ILm保持相等。

變壓器原端電流下降為0，不再向負端進行能量傳遞，副邊二極管D1電流降為零關斷，輸出電壓由輸出電容提供。副端電壓對勵磁電感的鉗位作用消失，諧振腔由Lr、Cr和Lm組成。由于Lm>>Lr，可以近似為此時的諧振電流不變。

■工作模態5（t4~t5）：

t4~t5為死區時間，四個開關器件全部關斷。

在諧振電流的作用下，電源給S1、S4的寄生電容充電，給S2、S3的寄生電容放電，結束后S1、S4并聯二極管續流，為其后續零電壓開通提供條件。

此時整流二極管D2開始導通，勵磁電感被副端電壓鉗位，退出諧振腔。此時負載能量由勵磁電感提供。

t5時刻后，S2、S3零點壓開通，后半周期工作過程與前半周期類似，這里就不做詳細講解。

準諧振模式與過諧振模式的關鍵波形如圖，感興趣的朋友可以根據關鍵波形進行模態分析。

LLC常見問答

?為什么中小功率電源LLC網絡要在感性區域工作？

LLC網絡存在感性、容性和純阻性三種狀態。

①工作在純阻性區域時，網絡具有最高的品質因素和最佳的網絡特性；

②工作在容性區域，網絡實現零電流切換（ZCS）關斷，適合使用IGBT；

③工作在感性區域，網絡容易實現零電壓切換（ZVS）開通，比較適合使用MOSFET。由于中小功率電源普遍使用MOSFET，因此常規的LLC拓撲開關電源選擇在感性區域工作。

?ZVS1和ZVS2各有什么優缺點，如何選擇？

LLC網絡的增益曲線下圖所示。

ZVS1區不能實現次級整流管的零電流切換（ZCS）關斷，存在反向恢復問題；而在ZVS2區可以實現次級整流管的ZCS關斷，不存在反向恢復問題。

從理論上講，工作在ZVS2區域的效率高于ZVS1區域，同時也要考慮短路性能等問題，建議選擇略大于諧振點的工作點。

?LLC初級MOSFET是ZVS關斷還是ZCS關斷？

LLC工作在感性區域時MOSFET可以實現ZVS開通，但器件關斷既不是ZVS也不是ZCS，是一個硬關斷過程，關斷損耗不可避免。

對于MOSFET而言，開通損耗相對關斷損耗大很多。因此LLC變換器是通過減少開通損耗以達到電路效率的提升。

?滿足ZVS的兩個必要條件是什么？

首先，LLC電路在其整個負載范圍內都必須處于感性區域，這是最基本的條件。

其次，還有一個常常被忽視的條件。為了實現開關管的ZVS，勵磁電感的峰值電流須在死區時間內完成導通開關管的結電容放電，以及關斷開關管結電容充電。

因此，勵磁電感峰值電流(Ipk)與死區時間(tdead)應滿足：

其中，Vin為輸入電壓，Cj為MOSFET的結電容，tdead為死區時間。而Ipk與勵磁電感關系如下：

其中，Vo為輸出電壓，T為開關周期，Lm為勵磁電感。因此Lm的值應滿足以下不等式：

從上式得出的最大勵磁電感Lm可以確保開關管實現ZVS，但較小的Lm將增加MOSFET的開關損耗。通過使用被動負載Lm，可以確保在任何負載情況下都能工作在零電壓開關狀態下。

到這里，我們對LLC諧振變換器的電路結構、控制方式以及常見的全橋LLC變換器的工作原理及常見問題就都分享完成啦。可能還有很多常見問題，我們沒有列出來，也歡迎大家給留言溝通，小編隨時待命！您的留言很有可能就出現在我們下一期的內容中了哦。