本帖最后由 techff 于 2020-5-28 16:01 编辑

谐振变换器的兴起
不断增加的开关电源功率密度，
已经受到了无源器件尺寸的限制。
采用高频运行，
可以大大降低无源器件（如变压器和滤波器）的尺寸。
但过高的开关损耗势必成为高频运行的一大障碍。
谐振变换器由于能实现软开关，
有效地减小开关损耗和容许高频运行，
所以在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。
第 1 期

概  述
谐振变换器的结构如下图所示

交流方波电压或电流加在谐振网络两端，
产生高频谐振，
谐振电压或电流经过整流和滤波后，
转变成直流电压或电流，
从而实现直流——直流变换（DC-DC）。

谐振变换器有多种不同的分类方法，
根据负载与谐振电路的连接关系，
谐振变换器可以分为
串联谐振变换器、
并联谐振变换器、
以及串并联谐振变换器。
LLC就属于串并联谐振变换器。
与传统PWM（脉宽调节）变换器不同，
LLC是一种通过控制开关频率（频率调节）
来实现输出电压恒定的谐振电路。
拓  扑
半桥LLC
也称非对称半桥LLC，一般用于小功率场合，具有开关管数量少等特点。

电容分立半桥LLC   
也称对称半桥LLC，工作原理与对称半桥LLC一样，只是谐振电容容量小，电流峰值也会较小。

全桥LLC
全桥LLC开关管相对于半桥LLC多，适用于大功率场合。

LLC谐振电路由开关网络（半桥或全桥）、谐振电容（C）、谐振电感（L）、变压器励磁电感（L）、变压器和整流器组成。
学习LLC，必须弄清楚以下两个基本问题：
1） LLC如何实现软开关的
2） LLC如何改变电压增益


第 2 期
谐振软开关
什么是软开关
如下图所示，
普通拓扑的开关管都是硬开关，
在导通和关断时MOS管的漏源极电压VDS和电流IDS会产生交叠，
电压与电流交叠的区域，
即为MOS管的导通损耗和关断损耗。

为了降低开关管的开关损耗，
提高电源的效率，
有零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）两种软开关办法。

零电压开关（ZVS）
使开关开通前其两端电压为零，也成为零电压开通。

零电流开关（ZCS）
使电流关断前其电流为零，也称为零电流关断。

由于   开关损耗   与流过开关管的电流   和开关管上的电压的乘积（V*I）有关，当采用ZVS零电压导通时，开关管上的电压几乎为零，所以导通损耗非常低。LLC正是实现了ZVS零电压开关。
LLC如何实现软开关
要实现零电压开关，
开关管的电流必须滞后于电压，
使谐振槽路工作在感性状态。

LLC开关管在导通前，
电流先从开关MOS管的体二极管（S到D）内流过，
开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近0V（二极管压降），
此时让开关MOS管导通，
可以实现零电压导通。

MOS管VDS电压和电流波形如下图所示，
可以看出，
在MOS开通（VDS降为0）时刻，
MOS管电流为负值（中间图蓝色部分），
说明电流反向流经MOS体二极管，
开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近0V附近，
此时MOS导通即可实现零电压开通。
至于此波形如何形成将在后面详细讲解。
第 3 期「谐振与增益的定性关系」
由简单的谐振电路说起
我们将以电感和电容的基本电路的特性逐渐了解谐振电路的特性
与电阻不同，电感和电容都不是纯阻性线性器件，电感的感抗XL和电容的容抗Xc都与频率有关，当加在电感和电容上的频率发生变化时，它们的感抗XL和容抗Xc会发生变化。
1） 如下图RL电路，当输入源Vin的频率增加时，电感的感抗增大，输出电压减小，增益Gain=Vo/Vin随频率增加而减小。

2）  如下图RC电路，相反，当输入源Vin的频率增加时，电容的容抗减小，输出电压增大，增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加。

3）如下图LC谐振电路，我们将L和C都引入电路中，可以发现，当输入电压源的频率从0开始向某一频率f0增加时，LC电路呈容性（容抗＞感抗），增益随频率增加而增加，当从这一频率再向右边增加时，LC电路呈感性（感抗＞容抗），增益随频率增加而降低。这一频率f0即为谐振频率（此时感抗=容抗），谐振时电路呈纯电阻性，增益最大。

4）对于LLC谐振电路，可以得到与LC谐振电路类似趋势的增益曲线，峰值左侧呈容性（容抗＞感抗），增益随频率增加而增加，右侧呈感性（感抗＞容抗），增益随频率增加而降低。

LLC输出稳定电压的原理
由以上介绍可知，我们可以通过调节输入电压源的频率，使整个电路呈现为不同的等效阻抗，如纯阻性、感性和容性，对应不同的增益曲线，进而达到调节输出电压的目的。



将LLC电路等效分析，
得到如下简化电路。
当交流等效负载Rac变化时，
系统通过调整工作频率，
改变Zr和Zo的等效阻抗，
从而改变分压比，
使得输出电压稳定，
LLC就是这样稳定输出电压的。

第 4 期
LLC变换器工作模态 (f=fs)
拓扑与特点
以半桥LLC谐振变换器为例，主开关Q1、Q2构成半桥结构，其驱动信号为固定占空比50%的互补信号，并且在上下桥臂之间应有死区时间。


谐振电感Ls、谐振电感Cs和变压器励磁电感Lm共同构成谐振槽路，具有两个谐振频率：

谐振电感Ls和谐振电感Cs产生的串联谐振频率

谐振电感Ls、谐振电感Cs和变压器励磁电感Lm产生的串并联谐振频率

并且fs > fm。

工作频率f=fs时LLC工作模态
工作频率f = fs时，LLC变换器工作在软开关状态。
如下图所示，t0~t1时刻，LLC开关管在导通前，电流先从开关Q1的体二极管（S到D）内流过，Q1漏源之间电压被箝位在接近0V（二极管压降）。t1时刻驱动信号有效，则Q1导通，实现零电压导通。


工作过程阶段1/6：t0 ~ t1
Q1关断，Q2开通
D1关断，D2开通
励磁电感Lp电压被变压器钳位在-n倍输出电压上：VLp = -n × Vout
Cs与Ls以频率fs谐振
输出能量来自Cs与Ls
该阶段持续到Q2关断为止

阶段2/6：t1 ~ t2

Q1、Q2均关断（死区）
D1、D2均关断
变压器副边开路，因而Lp也参与谐振
谐振电流I(Ls+Lp)给Cosss2充电，同时给Coss1放电，直至V(Coss1)=Vin，Q1体二极管开始续流
该阶段持续到Q1开通为止



阶段3/6：t2 ~ t3
Q1开通，Q2关断
D1导通，D2关断
励磁电感Lp电压被变压器钳位在n倍输出电压上：VLp = n × Vout
Cs与Ls以频率fs谐振
电流流经Q1返回到输入源Vin（Q1工作在第3象限）
该阶段持续到谐振电流I(Ls)=0为止



阶段4/6：t3 ~ t4
Q1开通，Q2关断
D1导通，D2关断
励磁电感Lp电压被变压器钳位在n倍输出电压上：VLp = n × Vout
Cs与Ls以频率fs谐振
能量由输入Vin流向输出Vout
该阶段持续到Q1关断



阶段5/6：t4 ~ t5
Q1、Q2均关断（死区）
D1、D2均关断
变压器副边开路，因而Lp也参与谐振
谐振电流I(Ls+Lp)给Cosss1充电，同时给Coss2放电，直至V(Coss2)=0，Q2体二极管开始续流
该阶段持续到Q2开通为止


阶段6/6：t5 ~ t6
Q1关断，Q2开通
D1关断，D2开通
励磁电感Lp电压被变压器钳位在-n倍输出电压上：VLp = -n × Vout
Cs与Ls以频率fs谐振
电流流经Q2（Q2工作在第3象限）
输出能量来自Cs与Ls
该阶段持续到谐振电流I(Ls)=0为止
此后继续阶段1/6

来源：网络