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純干貨！一文詳解LLC原理的原理與設(shè)計(jì)

時(shí)間：2020-07-22 13:43:20

關(guān)鍵字： LLC

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[導(dǎo)讀]與傳統(tǒng)PWM（脈寬調(diào)節(jié)）變換器不同，LLC是一種通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率（頻率調(diào)節(jié)）來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以降低電源的開(kāi)關(guān)損耗，提高功率變換器

與傳統(tǒng)PWM（脈寬調(diào)節(jié)）變換器不同，LLC是一種通過(guò)控制開(kāi)關(guān)頻率（頻率調(diào)節(jié)）來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定的諧振電路。它的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)原邊兩個(gè)主MOS開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷(ZCS)，通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以降低電源的開(kāi)關(guān)損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。

學(xué)習(xí)并理解LLC，我們必須首先弄清楚以下兩個(gè)基本問(wèn)題：

1.什么是軟開(kāi)關(guān)；

2.LLC電路是如何實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的。

由于普通的拓?fù)潆娐返拈_(kāi)關(guān)管是硬開(kāi)關(guān)的，在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)MOS管的Vds電壓和電流會(huì)產(chǎn)生交疊，電壓與電流交疊的區(qū)域即MOS管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。如圖所示：

為了降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，提高電源的效率，有零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS) 和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS)兩種軟開(kāi)關(guān)辦法。

1、零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)

開(kāi)關(guān)管的電壓在導(dǎo)通前降到零，在關(guān)斷時(shí)保持為零。

2、零電流開(kāi)關(guān)（ZCS)

使開(kāi)關(guān)管的電流在導(dǎo)通時(shí)保持在零，在關(guān)斷前使電流降到零。

由于開(kāi)關(guān)損耗與流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流和開(kāi)關(guān)管上的電壓的成績(jī)（V*I）有關(guān)，當(dāng)采用零電壓ZVS導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管上的電壓幾乎為零，所以導(dǎo)通損耗非常低。

?Vin為直流母線電壓，S1，S2為主開(kāi)關(guān)MOS管（其中Sc1和Sc2分別為MOS管S1和S2的結(jié)電容，并聯(lián)在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管），一起受控產(chǎn)生方波電壓；

?諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、勵(lì)磁電桿Lm一起構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)；

?np，ns為理想變壓器原副邊線圈；

?二極管D1, 二極管D2，輸出電容Co一起構(gòu)成輸出整流濾波網(wǎng)絡(luò)。

那么LLC電路是怎么實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的呢？

要實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)管的電流必須滯后于電壓，使諧振槽路工作在感性狀態(tài)。

LLC 開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通前，電流先從開(kāi)關(guān)MOS管的體二極管（S到D）內(nèi)流過(guò)，開(kāi)關(guān)MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V（二極管壓降），此時(shí)讓開(kāi)關(guān)MOS管導(dǎo)通，可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)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（實(shí)際也為硬關(guān)斷）。

那什么是諧振呢？

我們不妨先看看電感和電容的基本特性：

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(guān)，當(dāng)加在電感和電容上的頻率發(fā)生變化時(shí)，它們的感抗XL和容抗Xc會(huì)發(fā)生變化。

1、如下圖RL電路，當(dāng)輸入源Vin的頻率增加時(shí)，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、如下圖RC電路，相反，當(dāng)輸入源Vin的頻率增加時(shí)，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。

下面我們分析一下LC諧振電路的特性：

如圖，當(dāng)我們將L和C都引入電路中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓源的頻率從0開(kāi)始向某一頻率增加時(shí)，LC電路呈容性（容抗＞感抗），增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加，當(dāng)從這一頻率再向右邊增加時(shí)，LC電路呈感性（感抗＞容抗），增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而降低。這一頻率即為諧振頻率（此時(shí)感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC）,諧振時(shí)電路呈純電阻性，增益最大。

諧振條件：感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC

諧振頻率：fo

那么諧振有什么作用呢？

控制讓諧振電路發(fā)生諧振，有三個(gè)參數(shù)可以調(diào)節(jié)。由于L和C的大小不方便調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓源的頻率，可以使L、C的相位相同，整個(gè)電路呈現(xiàn)為純電阻性，諧振時(shí)，電路的總阻抗達(dá)到或近似達(dá)到極值。利用諧振的特征控制電路工作在合適的工作點(diǎn)上，同時(shí)又要避免工作在不合適的點(diǎn)上而產(chǎn)生危害。

LLC穩(wěn)定輸出電壓原理：

將LLC電路等效分析，得到i如下簡(jiǎn)化電路。當(dāng)交流等效負(fù)載Rac變化時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整工作頻率，改變Zr 和Zo的分壓比，使得輸出電壓穩(wěn)定，LLC就是這樣穩(wěn)定輸出電壓的。

對(duì)LLC來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成；
另一個(gè)一個(gè)諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr，勵(lì)磁電感Lm，諧振電容Cr一起組成；

▼再來(lái)看一份更為詳細(xì)的LLC工作模態(tài)分析：

開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)：S1、S2及其內(nèi)部寄生二極管Ds1\Ds2、寄生電容Cds1\Cds2;

諧振網(wǎng)絡(luò)：諧振電容Cr 、串聯(lián)諧振電感Lr 、并聯(lián)諧振電感 Lm;

中心抽頭變壓器（匝比為n:1:1），副邊整流二極管 D1、D2；

輸出濾波電容Co （忽略電容的ESR），負(fù)載 Ro。

1.1 LLC變換器的模態(tài)分析

對(duì)于LLC電路，存在兩個(gè)諧振頻率：

1.1.1 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)1

1.1.2 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)2

1.1.3 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)3

1.1.4 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)4

1.1.5 工作區(qū)域2(fr2<f<fr1) 模態(tài)5

1.2 f=fr1 情況下的波形圖

1.3 f>fr1情況下的模態(tài)分析

1.3.1工作區(qū)域1（f>fr1）模態(tài)1

1.3.2工作區(qū)域1（f>fr1）模態(tài)2

1.3.3工作區(qū)域1（f>fr1）模態(tài)3

1.3.4 工作區(qū)域1（f>fr1）模態(tài)4

總結(jié)： 開(kāi)關(guān)頻率fr2<f<fr1時(shí)，且諧振網(wǎng)絡(luò)工作在感性區(qū)域時(shí)，llc變換器原邊開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)zvs，且流過(guò)輸出整流二極管的電流工作在斷續(xù)模式，整流二極管實(shí)現(xiàn)zcs，消除了因二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；

開(kāi)關(guān)頻率f=fr1時(shí)， LLC諧振變換器工作在完全諧振狀態(tài)，原邊開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)ZVS，整流二極管工作在臨界電流模式，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整流二極管的ZCS，消除了因二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；

開(kāi)關(guān)頻率f>fr1時(shí)， LLC諧振變換器原邊開(kāi)關(guān)管在任何負(fù)載下都可以實(shí)現(xiàn)ZVS，但是變壓器勵(lì)磁電感由于始終被輸出電壓所鉗位，因此，只有 Lr、Cr 發(fā)生串聯(lián)諧振，而 Lm在整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中都不參與串聯(lián)諧振，且此時(shí)輸出整流二極管工作在電流連續(xù)模式，整流二極管不能實(shí)現(xiàn)ZCS，會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。

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