白话LLC基本原理

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「 谐振变换器兴起原因 ​」

LLC作为一种典型的谐振变换器，它的兴起有以下两个因素：

 

高频运行降低无源器件尺寸

开关电源功率密度的提高，受到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。

 

谐振软开关减小高频运行损耗

提高运行频率，开关损耗势必会增加。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。

 

「 谐振变换器与LLC 」

谐振变换器分类

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。

 

谐振变换器基本工作原理

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）。

 

LLC变换器的特点

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。

 

「 LLC变换器拓扑 」

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
2） LLC如何改变电压增益

 

「 谐振软开关 」

 

开关损耗与软开关

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，也称为零电压开通，此时开关开通时漏源极电压VDS和电流IDS乘积为零，即开通损耗为零。

 

 

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，此时开关开通时漏源极电压VDS和电流IDS乘积为零，即关断损耗为零。

 

 

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。

 

 

 

 

「 LLC如何改变电压增益 」

由简单的谐振电路说起

我们将以电感和电容的基本电路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） RL电路

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） RC电路

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） LC电路

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） LLC谐振电路

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。

 

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