LLC PWM控制直流稳态工作过程分析

仿真观察PWM状态驱动脉冲、变压器电压波形、上下开关管波形及谐振电感电流波形，发现在一个开关周期，当占空比较小时和占空比较大时，变压器波形、上下开关管DS波形、谐振电流波形有一定的区别。下图为占空比较小时（D=5%）仿真情况，其中驱动信号gp对应谐振电流正方向，定义为上管Q1驱动信号，相应gn为下管Q2驱动信号）。

PWM控制5%占空比工作时序

可将一个工作周期划分为8个工作模式：

Mode1(t0~t1):

t0时刻，Q1开通。由于此时Q1电流为0，开通为ZCS。而开通前由于Q1、Q2两管由于均处于关闭状态而达到了电压平衡，两管均分PFC母线电压

。则开通前Q1的DS电压不为零，为硬开通，非ZVS。开通后Q1 DS电压为零，谐振电感电流上升，到达占空比时间，t1时刻，Q1关闭，关闭时Q1 DS电压和流过电流均不为零，故为硬关断。

Mode2(t1~t2):

t1时刻，由于谐振电感电流瞬间不能突变，抽取Q2 结电容，并给Q1结电容充电，以维持电流。在t1到t2期间内，由于正电荷的损失，Q2 DS电压逐渐降低，而Q1 DS电压逐渐升高，二者和为PFC母线电压；谐振电感、谐振电容、开关管DS等效电容组成串联的谐振网络，起主导作用的是谐振电感和开关管结电容及变压器寄生电容（因为谐振电容与开关管DS电容及变压器寄生电容串联，起主导作用的是小得多的开关管结电容与变压器寄生电容）。至于变压器副边是否由负载电流输出，取决于原边谐振电流是否能够大于励磁电流。t2时刻, 谐振电流为零，上管Q1 DS电压达到最大值，但未到

；下管Q2 DS电压达到最小值，但未到零。

需要说明的是，如果开关管结电容与变压器寄生电容足够小，有可能将上管Q1 DS电压充到

，下管Q2 DS电压放到零并且其寄生体二极管导通。

Mode3(t2~t3):

t2时刻，虽然由于开关管均关闭，没有能量输入，但谐振网络自身储存能量还未消耗完，谐振电感电流反方向流动，由谐振电感、谐振电容以及上下管DS结电容组成的谐振网络利用t1~t2期间负载没有消耗完、储存在原边谐振网络内的能量给下管Q2充电，上管Q1放电。由于t1~t2期间内谐振网络能量大部分都被等效在变压器原边的负载阻抗消耗掉，故t2~t3期间谐振电感电流峰值较小。在t3时刻，谐振电感电流谐振到零。

Mode4(t3~t4):

t3时刻，理论上讲，若此时未到下管Q2开通时刻，谐振电感电流应当继续反向谐振。但由于谐振网络内储存的能量太小了，以至于谐振幅度很小，几乎为零。而上下开关管由于不再有电流抽取或者注入电荷，达到平衡。若开关管一致性较好，可近似认为两管平分PFC 母线电压。t4时刻，下管Q2开通，开通时流过开关管电流为零。而开通时下管DS间电压为

/2，非ZVS。实际电路中，只要占空比足够小，谐振电流一般都会震荡若干个周期才衰减到零。

注意到t4时刻谐振电流又回到了正向（虽然很小），如果谐振电流不为零且足够大，并且开关管结电容与变压器寄生电容足够小，并且在电流正向期间开通Q2，还是有理论上的可能在谐振电流正向流动时将Q2结电容的电荷抽光而实现ZVS。

推而广之，在PWM态的电流正向谐振期间，均有理论上的可能，实现Q2的ZVS，反过来，在PWM态的电流反向期间，肯定不可能实现Q2的ZVS。对Q1也是一样。

Mode5~8(t5~t8):

重复以上过程。

当占空比较大时，如下图所示，占空比D=30%，其工作过程和调频工作时f>fr基本相同。

与调频工作时不同之处在于，t2时刻谐振电流反向，又给下管Q2充电，上管Q1放电，未形成下管Q2的ZVS条件，虽然t3时刻电流又反向，但此时由于没有能量注入，谐振回路中的能量越来越小，到t4时刻Q2开通，残余的谐振电流在t3~t4时间段内根本抽不走Q2结电容上的电荷，所以Q2不能实现ZVS。

与上面分析对应，在t4时刻，虽然谐振电流正向，但是除非Q2和变压器寄生电容足够小，才能实现Q2的ZVS导通。

PWM控制30%占空比工作时序

随着占空比的加大，如下图所示，占空比D=40%，t2时刻，下管Q2寄生体二极管续流过程中其驱动脉冲有效，等到谐振电流自然反向，便获得了ZVS条件。此工作过程和f>fr调频工作时完全相同。

占空比D=40%

通过以上分析可以看出，PWM态的ZVS，只有在占空比接近50%时才能实现，小占空比下，除非开关管结电容及变压器寄生电容足够小，并且驱动信号要正好在待开通开关管电流正向相反的方向流动,才能够实现ZVS。但占空比的调节过程为渐变调节，不可能跳过某一段占空比，寻求这种ZVS是不切实际的。

因此，小占空比下LLC谐振电路的PWM态开关管不能实现实用的ZVS。

再考虑到主要是考虑利用PWM实现轻载和低压输出态的稳压，对于轻载来说可以接受，利用整流模块的散热策略应该能够解决其温升，但低压重载若采用PWM方式，并且出现小占空比的情况，开关管损耗会非常可观。

比较理智的做法是将PWM态用在短路回缩态，即20V以下，因为接近0V的低压输出对于调频电路实在是很困难。