LLC的工作原理（第 I 部分）：電源開關和諧振腔

LLC 諧振變換器因能滿足現代電源設計苛刻的性能要求而成為電力電子領域的熱門話題。 LLC 屬于龐大的諧振變換器拓撲家族系列，而諧振腔是該拓撲系列的基礎特征。諧振腔是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振蕩的電感器和電容器組成的電路。

這種開關模式的 DC/DC 電源變換器允許采用更高的開關頻率 (fSW) 并且降低了開關損耗，因此更適用于高功率和高效率應用。LLC 諧振變換器是具有精密系統（即高端消費電子產品）或更高運行功率要求（即為電動汽車充電）的電源應用理想之選。

LLC 變換器由 4 個模塊組成：電源開關、諧振腔、變壓器和二極管整流器（參見圖 1）。MOSFET 功率開關首先將輸入的直流電壓轉換為高頻方波；隨后方波進入諧振腔，由諧振腔消除方波的諧波并輸出基頻的正弦波；正弦波再通過高頻變壓器傳輸到變換器的副邊，并根據應用需求對電壓進行升壓或降壓；最后，二極管整流器將正弦波轉換為穩定的直流輸出。

圖 1：簡化 LLC 變換器的電路原理圖

LLC 變換器因其諧振特性，即使在非常高的功率下也能保持高效率。該特性同時實現了原邊和副邊的軟開關功能，它降低了開關損耗，從而提高了效率。

另外，LLC 拓撲還能夠節省電路板空間，因為它不需要輸出電感器。這意味著所有電感器都可以輕松集成到單個磁性結構中，從而節省面積和成本。當電路的所有電感元件都位于同一個結構中時，其電磁兼容性將得到極大的改善；因為屏蔽單個結構比屏蔽三個結構一定更容易，也更便宜。

電源開關

電源開關可以采用全橋或半橋拓撲實現，每種拓撲都具備自己獨特的輸出波形（參見圖 2）。

圖2: 電源開關拓撲

這兩種拓撲的主要區別在于：全橋拓撲生成的方波沒有直流偏移，幅度等于輸入電壓 (VIN).；半橋拓撲則產生一個偏移 (VIN / 2)的方波，因此幅度僅為全橋波的一半。

每種拓撲都有其自身的優缺點。全橋拓撲需要更多的晶體管，因此實施成本更高。而且，添加的晶體管會導致串聯電阻(RDS(ON))增加，從而增加傳導損耗；但另一方面，全橋實現可以將必要的變壓器匝數比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地減少變壓器中的銅損。

半橋拓撲的實施則更具成本效益，而且，它可以將電容器兩端的 RMS 電流降低約 15%；不過，這種拓撲會增加開關損耗。

權衡利弊之后，通常建議在功率低于 1kW 的應用中采用半橋功率開關拓撲，而在更高功率應用中則采用全橋拓撲。

諧振腔

諧振腔由諧振電容器 (CR) 和兩個電感器組成：諧振電感器 (LR)與電容器和變壓器串聯，勵磁電感器 (LM)則與之并聯。諧振腔的作用是濾除方波的諧波，將基頻開關頻率的正弦波輸出到變壓器的輸入端。

圖 3：帶原邊參考負載的 LLC 諧振腔示意圖

諧振腔的增益隨頻率和副邊負載而變化（參見圖 4）。設計人員需調整這些參數，以確保變換器在寬負載范圍內均高效運行。具體方法為，設計諧振腔的增益值，使其在所有負載條件下均超過 1。

圖 4：不同負載條件下的諧振增益響應

LLC 變換器因諧振腔的雙電感器而具有寬工作范圍與高效率。要了解其原理，首先要了解諧振腔采用不同電感器時，在重載和輕載條件下的響應。

當諧振腔僅由諧振電容器和勵磁電感器組成時，圖 5 顯示了諧振腔在不同負載條件下的增益。在輕載下，諧振腔增益有一個明顯的峰值；但重載下的增益不僅沒有峰值，反而有阻尼響應，并且只在非常高的頻率下才達到單位增益。

圖 5：具有并聯電感器的 LC 諧振腔增益響應和示意圖

當諧振腔僅由串聯的諧振電容器和諧振電感器 (LR) 組成時，結果則不同。其增益不會超過 1，但當負載最大時，諧振腔達到單位增益的速度要比并聯電感器快得多。

圖 6：具有串聯電感器的 LC 諧振腔增益響應和示意圖

如果諧振腔中同時帶兩種電感器，則產生的頻率增益響應可確保變換器充分響應更大的負載范圍；而且，還可以實現對整個負載范圍的穩定控制（參見圖 4）。此時的 LLC 諧振腔具有兩個諧振頻率 (fR and fM)，可分別由公式 (1) 和公式 (2) 計算得出。

諧振腔的增益響應取決于三個參數：負載、歸一化電感和歸一化頻率。

負載通過品質因數 (Q) 來表示，它取決于連接到輸出的負載。但直接采用負載值并不準確，因為在諧振腔輸出和負載之間還有一個變壓器和一個整流器（參見圖 1）。因此，我們必須為負載提供一個主參考值，即 RAC. RAC 和 Q 可以分別用公式 (3) 和公式 (4) 來估算： 

歸一化頻率 (fN) 定義為 MOSFET 開關頻率 (fSW) 與諧振腔諧振頻率 (fR)之間的比率。 fN 可以通過公式 (5) 計算：

歸一化電感 (LN)表示諧振電感和勵磁電感之間的關系，用公式 （6）來估算：

有了以上參數，就可以利用公式 (7) 來計算變換器的增益響應了：

請注意，以上計算均采用一次諧波分析 (FHA) 進行。這種方法之所以適用，是因為我們已假設 LLC 是在諧振頻率 (fR)內運行的。通過應用傅里葉分析，諧振腔的輸入是由多個具有不同幅度和頻率的正弦波組成的方波。由于諧振腔可濾除所有與基頻 fSW頻率不同的正弦波，所以我們可以忽略除基頻正弦波之外的所有波，這可以大大簡化我們的分析。

軟開關

LLC 變換器的另一個常見特性是其軟開關能力。

軟開關功能旨在通過利用電流的自然上升與下降、以及電路內部電壓來降低開關損耗，以確保電子開關在最有效的時刻導通或關斷。如果在電流近似為零時開關，稱為零電流開關 (ZCS)。如果在低電壓下開關，稱為零電壓開關 (ZVS)。LLC 變換器憑借其諧振特性，可以同時實現 ZVS 和 ZCS。

圖 7 顯示了 LLC 變換器的四種基本工作模式。模式 1 和模式 3 為標準的 LLC 操作，如前文所述。在模式 1 中，電流從電源輸送到諧振腔和變壓器副邊（Q1 導通，Q2 關斷）。在模式 3 中，存儲在諧振腔中的剩余功率被傳輸到變壓器的副邊，其電流的流動方向與模式 1 中相反（Q1 關斷，Q2 導通）。ZVS 在模式 2 和模式 4 中出現，此時兩個開關均關斷；期間，電流流過晶體管的體二極管（例如模式 2 中的 Q2，或模式 4 中的 Q1），這也稱為續流。

圖 7：LLC 工作模式原理圖

受體二極管的小壓降限制，續流導致晶體管兩端的電壓 (VDS) 下降，直至接近零值。此時，兩個柵極信號都為低電平，當電路從模式 2 轉換到模式 3 、或模式 4 轉換到模式 1 時，晶體管兩端的電壓接近于零，這最大限度地降低了開關損耗。

圖 8：LLC 工作模式信號

結論

了解 LLC 諧振腔工作原理對設計 LLC變換器至關重要。諧振腔的諧振特性使LLC變換器可以在寬負載和功率范圍內保持高效且穩定的運行，因此廣受歡迎。不過，這種諧振也要求設計人員在設計電路參數時需非常謹慎，因為諧振腔的增益響應受大量參數的影響，其中包括負載和變換器的工作點（見公式 (7)）。

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來源：MPS芯源系統