LLC电路是如何实现软开关的

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LLC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n1)，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(fr2

1.1.2 工作区域2(fr2

1.1.3 工作区域2(fr2

1.1.4 工作区域2(fr2

1.1.5 工作区域2(fr2

1.2 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1

1.3.2工作区域1(f>fr1) 模态2

1.3.3工作区域1(f>fr1) 模态3

1.3.4 工作区域1(f>fr1) 模态4

总结：

开关频率fr2

开关频率f=fr1时， LLC谐振变换器工作在完全谐振状态，原边开关管可以实现ZVS，整流二极管工作在临界电流模式，此时可以实现整流二极管的ZCS，消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;

开关频率f>fr1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。

审核编辑：汤梓红