LLC谐振电源怎样实现ZVS

今天在进行《磁性元件与开关电源设计技术》企业内训时；在开关电源设计技术－LLC设计调试技巧中对LLC的关键技术及易发生故障的状况进行了分析；

LLC谐振电源如何实现ZVS应用及设计技巧提供参考！

LLC谐振变换器的优势！电路分析架构如下：

第一，电路结构相对简单，有较高的效率。

第二，它可以在整个运行范围内，实现零电压切换（ZVS）。所有寄生元件，包括所有半导体器件的结电容和变压器的漏磁电感和激磁电感，都是用来实现ZVS 的，ZVS的实现具备的参数特性如何分解；首先看看电路的工作机理：

LLC架构的稳压原理；将上述电路架构进行参数等效分析：

A．输入电压或负载（RL）变化时引起VR电压变化

Zc＝1／sCr ZL＝sLr s＝2лf

B．回路中确定Cr＆Lr的参数：上述等效电路通过改变频率使1／sCr＋sLr（1／2лfCr ＋ 2лfLr）与Rac的分压相应改变，最终维持负载电压不变，即VR不变

当上面是有固定输入的PFC电压设计时，系统的负载变化时会造成系统工作频率的变化，当负载增加时， MOSFET开关频率减小，当负载减小时，开关频率增大。

其电路的特点：

1．LLC 谐振变换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。

2． 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。

3． 谐振变换器采用频率控制，上下管的占空比各近似为50％．电路工作没有偶次谐波分量，有好的EMI特性。

4． 无需输出电感，可以进一步降低系统成本。

5． 对于低压大电流设计如果输出采用同步整流MOS，可以进一步提升效率。

设计中对于谐振电容的最小值要求：

Cr电容充当直流电源：存储能量足以支撑Q2导通期间为负载提供能量

满载功率为Pomax，最大输入电压Vinmax，电容存储的能量＝直流电源的在Q1导通期间提供能量满足如下公式要求：

Cr最小容值满足：

通过对LLC变换器ZVS状态下的模态分析：

在开关管关断时刻，谐振槽路存储的磁能必须大于两个开关管输出电容完成一次充、放电所需的电能，表示为：

式中Imoff是Q1关断时刻磁化电感Lm的电流；节点Va处的总电容Czvs

为了防止直通现象，需要在两个驱动信号之间增加一个死区时间Td，确保一个开关管彻底关断后才允许另一个开关管开启！

为了达到ZVS，在两个MOSFET轮换开通之间存在死区时间TD。由于工作在感性区域，因此输入电流滞后于输入电压，当半周期结束时，谐振腔的电流Ir仍然在流入，这个电流可以消耗储存在Czvs上的电荷，从而使节点Va点的电压降为零，所以在另一个开关MOS开启时为零电压开通。

在半周期结束时，谐振电流腔中的电流必须可以保证在TD时间内，将Czvs的电荷消耗完，这就是ZVS的充分条件！ 满足基本表达式如下：

通过表达式：减少Td意味着增加Imoff，使得开关损耗和导通损耗增加。上式就变为磁化电感最大值的限制条件；

对于LLC 谐振电路来说死区时间的初始电流：

LLC谐振变换器能够实现ZVS必须满足：

通过上面的表达式，我们可以通过以下三种方式让LLC实现ZVS．

第一， 增加IZVS．

第二， 增加死区时间。

第三， 减小等效电容Cds1＆Cds2或者器件的Coss．

在实际我们调试时发现，在开机启动时LLC－谐振变换器启动时存在二极反向恢复硬开关问题；

LLC－谐振变换器启动时二极反向恢复／理论分析（如下示意图参考）

LLC－谐振变换器启动时的二极反向恢复硬开关问题，如何改善？

由于LLC工作状态是ZVS；建议尽量增大开通电阻Rg1on＆Rg2on

LLC启动时上管的D1反向恢复回路通过设计高频C 降低电流

我们是否还有更好的方法？当然优秀的LLC设计控制IC也会是不错的选择的！！

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杜佐兵

电磁兼容（EMC）线上＆线下高级讲师

杜佐兵老师在电子行业从业近20年，是国家电工委员会高级注册EMC工程师，武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

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