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LLC原理讲解

时间：2022-03-01 来源：扁平线圈电感厂家点击：

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。

它的优点是：实现原边两个主 MOS 开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。

学习并理解 LLC，我们必须首先弄清楚以下两个基本问题：1. 什么是软开关；2.LLC 电路是如何实现软开关的。

由于普通的拓扑电路的开关管是硬开关的，在导通和关断时 MOS 管的 Vds 电压和电流会产生交叠，电压与电流交叠的区域即 MOS 管的导通损耗和关断损耗。

如图所示：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。

1零电压开关 (ZVS)开关管的电压在导通前降到零，在关断时保持为零。

2零电流开关（ZCS)使开关管的电流在导通时保持在零，在关断前使电流降到零。

由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的成绩（V*I）有关，当采用零电压 ZVS 导通时，开关管上的电压几乎为零，所以导通损耗非常低。

►Vin 为直流母线电压，S1，S2 为主开关 MOS 管（其中 Sc1 和 Sc2 分别为 MOS 管 S1 和 S2 的结电容，并联在 Vds 上的二极管分别为 MOS 管 S1 和 S2 的体二极管），一起受控产生方波电压；►谐振电容 Cr 、谐振电杆 Lr 、励磁电杆 Lm 一起构成谐振网络；►np，ns 为理想变压器原副边线圈；►二极管 D1, 二极管 D2，输出电容 Co 一起构成输出整流滤波网络。

那么 LLC 电路是怎么实现软开关的呢？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；在关断前，由于 D-S 间的电容电压为 0V 而且不能突变，因此也近似于零电压关断（实际也为硬关断）。

那什么是谐振呢？我们不妨先看看电感和电容的基本特性：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。

下面我们分析一下 LC 谐振电路的特性：如图，当我们将 L 和 C 都引入电路中发现，当输入电压源的频率从 0 开始向某一频率增加时，LC 电路呈容性（容抗＞感抗），增益 Gain=Vo/Vin 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 Gain=Vo/Vin 随频率增加而降低。

这一频率即为谐振频率（此时感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC）,谐振时电路呈纯电阻性，增益最大。

谐振条件：感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC谐振频率：fo那么谐振有什么作用呢？控制让谐振电路发生谐振，有三个参数可以调节。

由于 L 和 C 的大小不方便调节，通过调节输入电压源的频率，可以使 L、C 的相位相同，整个电路呈现为纯电阻性，谐振时，电路的总阻抗达到或近似达到极值。

利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上，同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。

LLC 稳定输出电压原理：将 LLC 电路等效分析，得到 i 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 的分压比，使得输出电压稳定，LLC 就是这样稳定输出电压的。

对 LLC 来说，有两个谐振频率，一个谐振频率 fo 是利用谐振电感 Lr 谐振电容 Cr 组成；另一个一个谐振频率 fr1 是利用谐振电感 Lr，励磁电感 Lm，谐振电容 Cr 一起组成；▼再来看一份更为详细的 LLC 工作模态分析：开关网络：S1、S2 及其内部寄生二极管 Ds1Ds2、寄生电容 Cds1Cds2;谐振网络：谐振电容 Cr 、串联谐振电感 Lr 、并联谐振电感 Lm;中心抽头变压器（匝比为 n:1:1），副边整流二极管 D1、D2；输出滤波电容 Co （忽略电容的 ESR），负载 Ro。

1.1 LLC 变换器的模态分析对于 LLC 电路，存在两个谐振频率：1.1.1 工作区域 2(fr21.1.2 工作区域 2(fr21.1.3 工作区域 2(fr21.1.4 工作区域 2(fr21.1.5 工作区域 2(fr21.2 f=fr1 情况下的波形图1.3 f>fr1 情况下的模态分析1.3.1 工作区域 1（f>fr1）模态 11.3.2 工作区域 1（f>fr1）模态 21.3.3 工作区域 1（f>fr1）模态 31.3.4 工作区域 1（f>fr1）模态 4总结：开关频率 fr2fr1 时， LLC 谐振变换器原边开关管在任何负载下都可以实现 ZVS，但是变压器励磁电感由于始终被输出电压所钳位，因此，只有 Lr、Cr 发生串联谐振，而 Lm 在整个开关过程中都不参与串联谐振，且此时输出整流二极管工作在电流连续模式，整流二极管不能实现 ZCS，会产生反向恢复损耗。