這篇文章主要介紹典型的隔離式 LLC 諧振半橋轉換器-----其工作過程、電路建模簡化 以及輸入和輸出電壓之間的關係，稱為電壓增益函數。此電壓增益函數構成了本主題中設計的基礎。

 

一、變換器原理

圖 1a 顯示了 LLC 諧振半橋轉換器的典型拓撲。該電路與圖 1b 中的電路非常相似。為方便起見，將圖 1b 複製為圖 1b
，其中串聯元素互換，以便與圖 1a 進行並排比較。圖 1a 中的轉換器配置具有三個主要部分：

 

1

、功率開關 Q1 和 Q2 通常是 MOSFET，配置為形成方波發生器。該發生器通過驅動開關 Q1 和 Q2 產生單極方波電壓 Vsq
，每個開關的占空比為 50%。連續轉換之間需要一個小的死區時間，以防止交叉傳導的可能性並為實現 ZVS 留出時間。

 

2
、諧振電路，也稱為諧振網絡，由諧振電容 Cr 和兩個電感——串聯諧振電感 Lr 和變壓器的勵磁電感 Lm。變壓器匝數比為 n。諧振網絡循環電流，因此

，能量循環並通過變壓器傳遞到負載。變壓器的初級繞組接收雙極方波電壓 Vso。該電壓被傳輸到次級側，變壓器同時提供電氣隔離和匝數比
，以向輸出提供所需的電壓電平。在圖 1b 中，負載 R''''''''L 包括圖 3a 的負載 RL 以及來自變壓器和輸出整流器的損耗。

 

3、在轉換器的次級側，兩個二極管構成一個全波整流器，將交流輸入轉換為直流輸出並為負載 RL 供電。輸出電容器平滑整流後的電壓和電流。整流器網絡可以實現為全波橋或中心抽頭配置，帶有電容輸出濾波器。整流器也可以與 MOSFET 一起實現，形成同步整流以減少傳導損耗，特別有利於低電壓和高電流應用。

 

二、 工作過程

 

1、SRC 中的諧振頻率

 

從根本上說
，SRC 的(de)諧(xie)振(zhen)網(wang)絡(luo)在(zai)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)下(xia)對(dui)正(zheng)弦(xian)電(dian)流(liu)呈(cheng)現(xian)最(zui)小(xiao)阻(zu)抗(kang)

，而(er)與(yu)輸(shu)入(ru)端(duan)施(shi)加(jia)的(de)方(fang)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)頻(pin)率(lv)無(wu)關(guan)。這(zhe)有(you)時(shi)稱(cheng)為(wei)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)的(de)選(xuan)擇(ze)特(te)性(xing)。遠(yuan)離(li)諧(xie)振(zhen)，電(dian)路(lu)呈(cheng)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)阻(zu)抗(kang)水(shui)平(ping)。然(ran)後(hou)，要(yao)循(xun)環(huan)並(bing)傳(chuan)送(song)到(dao)負(fu)載(zai)的(de)電(dian)流(liu)或(huo)相(xiang)關(guan)能(neng)量(liang)的(de)量(liang)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)給(gei)定(ding)負(fu)載(zai)阻(zu)抗(kang)在(zai)該(gai)頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)阻(zu)抗(kang)值(zhi)。隨(sui)著(zhe)方(fang)波(bo)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)頻(pin)率(lv)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)的(de)阻(zu)抗(kang)也(ye)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，以(yi)控(kong)製(zhi)傳(chuan)遞(di)給(gei)負(fu)載(zai)的(de)那(na)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)。

 

一個 SRC 隻有一個諧振
，即串聯諧振頻率
，表示為

 

 

峰值諧振時的電路頻率 fc0 始終等於其 f0。因此
，SRC 需要較寬的頻率變化以適應輸入和輸出變化。

 

2、LLC 電路中的 fc0、f0 和 fp

 

但是，LLC 電路不同。添加第二個電感 (Lm) 後

，LLC 電路在峰值諧振 (fc0) 處的頻率成為負載的函數，隨著負載的變化在 fp ≤ fc0 ≤ f0 的範圍內移動。f0 仍由方程（1）描述，極點頻率由方程（1）描述

 

 

空載時，fc0 = fp。隨著負載的增加
，fc0 向 f0 移動。在負載短路時，fc0 = f0。因此

，LLC 阻抗調整遵循 fp ≤ fc0 ≤ f0 的一係列曲線，這與 SRC 中的不同，其中一條曲線定義了 fc0 = f0。這有助於降低 LLC 諧振轉換器所需的頻率範圍
，但會使電路分析複雜化。

 

從圖 1b 中可以明顯看出
，等式 (1) 所描述的 f0 無論負載如何都始終為真，但等式 (2) 所描述的 fp 僅在無負載時才為真。稍後將顯示，大多數情況下，LLC 轉換器設計為在 f0 附近運行。由於這個原因和其他有待解釋的原因


，f0 是轉換器操作和設計的關鍵因素。

 

3
、在 f0 處、低於和高於 f0 處工作

 

LLC諧振轉換器的操作的特征在於開關頻率(表示為fsw)與串聯諧振頻率(f0)的關係。圖 2 說明了 LLC 諧振轉換器的典型波形

，其開關頻率處於、低於或高於串聯諧振頻率。圖表從上到下顯示了 Q1 柵極 (Vg_Q1)、Q2 柵極 (Vg_Q2)
、開關節點電壓 (Vsq)
、諧振電路的電流 (Ir)、磁化電流 (Im) 和次級 側二極管電流 (Is)。注意原邊電流是勵磁電流和以原邊為基準的副邊電流之和；但是，由於勵磁電流僅在初級側流動，它對從初級側電源傳輸到次級側負載的功率沒有貢獻。

 

 

 

 

圖2 LLC諧振轉換器的工模式

 

A、工作在諧振頻率（圖2 a）

 

在這種模式下，開關頻率與串聯諧振頻率相同。當開關 Q1 關斷時，諧振電流下降到磁化電流的值
，不再向次級側傳輸功率。該電路通過延遲開關 Q2 的導通時間，實現初級側 ZVS 並獲得次級側整流二極管的軟換向。實現 ZVS 的(de)設(she)計(ji)條(tiao)件(jian)將(jiang)在(zai)後(hou)麵(mian)討(tao)論(lun)。然(ran)而(er)，很(hen)明(ming)顯(xian)串(chuan)聯(lian)諧(xie)振(zhen)下(xia)的(de)操(cao)作(zuo)僅(jin)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)操(cao)作(zuo)點(dian)。為(wei)了(le)涵(han)蓋(gai)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)變(bian)化(hua)，必(bi)須(xu)將(jiang)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)調(tiao)整(zheng)為(wei)遠(yuan)離(li)諧(xie)振(zhen)。

 

B、工作在諧振頻率以下（圖2 b）

 

在(zai)此(ci)，諧(xie)振(zhen)電(dian)流(liu)在(zai)驅(qu)動(dong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)結(jie)束(shu)之(zhi)前(qian)已(yi)經(jing)下(xia)降(jiang)到(dao)磁(ci)化(hua)電(dian)流(liu)的(de)值(zhi)，即(ji)使(shi)磁(ci)化(hua)電(dian)流(liu)繼(ji)續(xu)

，也(ye)會(hui)導(dao)致(zhi)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)停(ting)止(zhi)。在(zai)串(chuan)聯(lian)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)以(yi)下(xia)運(yun)行(xing)仍(reng)可(ke)實(shi)現(xian)初(chu)級(ji) ZVS binghuodecijicezhengliuerjiguanderuanhuanxiang。cijiceerjiguanchuyubulianxudianliumoshi，xuyaoxiezhendianluzhonggengduodexunhuandianliulaixiangfuzaitigongxiangtongshuliangdenengliang。zhezhongewaidedianliuhuidaozhichujihecijicedechuandaosunhaogenggao。raner，yinggaizhuyideyigetexingshi
，ruguokaiguanpinlvbiandetaidi
，chuji ZVS 可能會丟失。這將導致高開關損耗和幾個相關問題。這將在後麵進一步解釋。

 

C

、工作在諧振頻率以上（圖2 c）

 

在(zai)這(zhe)種(zhong)模(mo)式(shi)下(xia)
，初(chu)級(ji)側(ce)在(zai)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)中(zhong)呈(cheng)現(xian)較(jiao)小(xiao)的(de)循(xun)環(huan)電(dian)流(liu)。這(zhe)減(jian)少(shao)了(le)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)
，因(yin)為(wei)諧(xie)振(zhen)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)流(liu)處(chu)於(yu)連(lian)續(xu)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)相(xiang)同(tong)負(fu)載(zai)量(liang)的(de) RMS 電流更小。整流二極管不是軟換向
，存在反向恢複損耗，但在諧振頻率以上工作仍然可以實現初級 ZVS。在輕載條件下
，高於諧振頻率的操作可能會導致頻率顯著增加。

 

前麵的討論表明，可以通過使用 fsw ≥ f0 或 fsw ≤ f0，或通過在 f0 附近改變任一側的 fsw 來設計轉換器。進一步的討論將表明，最好的工作在串聯諧振頻率附近，此時 LLC 轉換器的優勢最大化。這將是設計目標。

（來源：星球號，作者：electronicLee）