拿来吧你！LLC 谐振半桥电源转换器之工作原理

本节介绍典型的隔离式 LLC 谐振半桥转换器-----其工作过程、电路建模简化 以及输入和输出电压之间的关系，称为电压增益函数。此电压增益函数构成了本主题中设计的基础。

一、变换器原理

图1 LLC谐振变换器

图 1a 显示了 LLC 谐振半桥转换器的典型拓扑。该电路与图 1b 中的电路非常相似。为方便起见，将图 1b 复制为图 1b，其中串联元素互换，以便与图 1a 进行并排比较。图 1a 中的转换器配置具有三个主要部分：

1、功率开关 Q1 和 Q2 通常是 MOSFET，配置为形成方波发生器。该发生器通过驱动开关 Q1 和 Q2 产生单极方波电压 Vsq，每个开关的占空比为 50%。连续转换之间需要一个小的死区时间，以防止交叉传导的可能性并为实现 ZVS 留出时间。

2、谐振电路，也称为谐振网络，由谐振电容 Cr 和两个电感——串联谐振电感 Lr 和变压器的励磁电感 Lm。变压器匝数比为 n。谐振网络循环电流，因此，能量循环并通过变压器传递到负载。变压器的初级绕组接收双极方波电压 Vso。该电压被传输到次级侧，变压器同时提供电气隔离和匝数比，以向输出提供所需的电压电平。在图 1b 中，负载 R'L 包括图 3a 的负载 RL 以及来自变压器和输出整流器的损耗。

3、在转换器的次级侧，两个二极管构成一个全波整流器，将交流输入转换为直流输出并为负载 RL 供电。输出电容器平滑整流后的电压和电流。整流器网络可以实现为全波桥或中心抽头配置，带有电容输出滤波器。整流器也可以与 MOSFET 一起实现，形成同步整流以减少传导损耗，特别有利于低电压和高电流应用。

二、 工作过程

1、SRC 中的谐振频率

从根本上说，SRC 的谐振网络在谐振频率下对正弦电流呈现最小阻抗，而与输入端施加的方波电压的频率无关。这有时称为谐振电路的选择特性。远离谐振，电路呈现更高的阻抗水平。然后，要循环并传送到负载的电流或相关能量的量主要取决于给定负载阻抗在该频率下的谐振电路阻抗值。随着方波发生器的频率发生变化，谐振电路的阻抗也会发生变化，以控制传递给负载的那部分能量。

一个 SRC 只有一个谐振，即串联谐振频率，表示为

峰值谐振时的电路频率 fc0 始终等于其 f0。因此，SRC 需要较宽的频率变化以适应输入和输出变化。

2、LLC 电路中的 fc0、f0 和 fp

但是，LLC 电路不同。添加第二个电感 (Lm) 后，LLC 电路在峰值谐振 (fc0) 处的频率成为负载的函数，随着负载的变化在 fp ≤ fc0 ≤ f0 的范围内移动。f0 仍由方程（1）描述，极点频率由方程（1）描述

空载时，fc0 = fp。随着负载的增加，fc0 向 f0 移动。在负载短路时，fc0 = f0。因此，LLC 阻抗调整遵循 fp ≤ fc0 ≤ f0 的一系列曲线，这与 SRC 中的不同，其中一条曲线定义了 fc0 = f0。这有助于降低 LLC 谐振转换器所需的频率范围，但会使电路分析复杂化。

从图 1b 中可以明显看出，等式 (1) 所描述的 f0 无论负载如何都始终为真，但等式 (2) 所描述的 fp 仅在无负载时才为真。稍后将显示，大多数情况下，LLC 转换器设计为在 f0 附近运行。由于这个原因和其他有待解释的原因，f0 是转换器操作和设计的关键因素。

3、在 f0 处、低于和高于 f0 处工作

LLC谐振转换器的操作的特征在于开关频率(表示为fsw)与串联谐振频率(f0)的关系。图 2 说明了 LLC 谐振转换器的典型波形，其开关频率处于、低于或高于串联谐振频率。图表从上到下显示了 Q1 栅极 (Vg_Q1)、Q2 栅极 (Vg_Q2)、开关节点电压 (Vsq)、谐振电路的电流 (Ir)、磁化电流 (Im) 和次级 侧二极管电流 (Is)。注意原边电流是励磁电流和以原边为基准的副边电流之和；但是，由于励磁电流仅在初级侧流动，它对从初级侧电源传输到次级侧负载的功率没有贡献。

图2 LLC谐振转换器的工模式

A、工作在谐振频率（图2 a）

在这种模式下，开关频率与串联谐振频率相同。当开关 Q1 关断时，谐振电流下降到磁化电流的值，不再向次级侧传输功率。该电路通过延迟开关 Q2 的导通时间，实现初级侧 ZVS 并获得次级侧整流二极管的软换向。实现 ZVS 的设计条件将在后面讨论。然而，很明显串联谐振下的操作仅产生一个操作点。为了涵盖输入和输出变化，必须将开关频率调整为远离谐振。

B、工作在谐振频率以下（图2 b）

在此，谐振电流在驱动脉冲宽度结束之前已经下降到磁化电流的值，即使磁化电流继续，也会导致功率传输停止。在串联谐振频率以下运行仍可实现初级 ZVS 并获得次级侧整流二极管的软换向。次级侧二极管处于不连续电流模式，需要谐振电路中更多的循环电流来向负载提供相同数量的能量。这种额外的电流会导致初级和次级侧的传导损耗更高。然而，应该注意的一个特性是，如果开关频率变得太低，初级 ZVS 可能会丢失。这将导致高开关损耗和几个相关问题。这将在后面进一步解释。

C、工作在谐振频率以上（图2 c）

在这种模式下，初级侧在谐振电路中呈现较小的循环电流。这减少了传导损耗，因为谐振电路的电流处于连续电流模式，从而导致相同负载量的 RMS 电流更小。整流二极管不是软换向，存在反向恢复损耗，但在谐振频率以上工作仍然可以实现初级 ZVS。在轻载条件下，高于谐振频率的操作可能会导致频率显着增加。

前面的讨论表明，可以通过使用 fsw ≥ f0 或 fsw ≤ f0，或通过在 f0 附近改变任一侧的 fsw 来设计转换器。进一步的讨论将表明，最好的工作在串联谐振频率附近，此时 LLC 转换器的优势最大化。这将是设计目标……

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