LLC原理：如何实现软开关？谐振与增益的定性关系？

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techff

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发表于 2020-5-28 15:58:15

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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。