什么是软开关？为什么选用LLC谐振拓扑实现软开关？

本文主要参考杨波博士的论文《Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System》，和TI，ST，Onsemi，Infineon关于LLC应用的设计文档。

本文分三篇讲解LLC：

第一篇介绍软开关，和为什么选用LLC谐振拓扑来实现软开关。

第二篇介绍LLC工作原理，波形和时序，基波简化分析法所需的数学知识，公式推导。

第三篇介绍LLC设计步骤，例举一个实例计算。

01什么是软开关

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。如下图1所示：

图1 硬开关波形

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。

ZVS是开关管的电压在导通前降到零，在关断时保持为零；

ZCS是开关管的电流在导通时保持在零，在关断前使电流降到零。

图2 ZVS和ZCS的波形

ZVS和ZCS都能使开关管的开关损耗极大降低，那么对于常用的MOSFET作为开关器件，要选用ZVS还是ZCS呢？

02MOSFET为什么更用ZVS

MOSFET关断时，其Cos会起到一个Snubber的作用。该Snubber可以将 Vds和Ids错开，如图4，增大Cos，Vds上升如绿色波形，降低了交叉损耗，因此，MOSFET的关断损耗通常不显著，开通损耗更关键。对于MOSFET，我们通常希望在零电压条件下开通其沟道，即实现ZVS，这样可以消去其开通损耗。

图3 MOSFET开通波形

图4 MOSFET关断波形

03如何实现ZVS

如果一个正弦半波经过一个电阻，电阻电流必定也为正弦半波，电压与电流且同相位。如果正弦半波加到一个感性网络，则电流波形将滞后电压，当输入电压为0时，电流是一个负值，这个负值电流通过MOSFET的体二极管，使MOSFET的Vds电压降低到约0.7V，如图5，再开通MOSFET，就可以实现ZVS。

图5

实现ZVS需要两个条件：

1）使PWM方波电流变成正弦波形，这需要一个谐振电路；

2）谐振网络的电流滞后于电压，这需要使谐振网络始终工作在感性状态；

要实现这两个条件，很多谐振拓扑可以选择，LLC有什么优势呢？

04为什么谐振拓扑选择LLC

在谐振拓扑中，串联谐振变换器（SRC）、并联谐振变换器（PRC）和串并联谐振变换器 LCC 和LLC是几种常见的拓扑，为什么选择LLC？如下我们来分析这个几种拓扑的优缺点。

4.1串联谐振变换器

半桥串联谐振变换器的电路图如图6，谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 串联。它们形成一个串联谐振腔。谐振腔随后与负载串联。根据这种结构，谐振腔和负载充当分压器。通过改变输入电压 Va 的频率，谐振腔的阻抗将发生变化。该阻抗将把输入电压与负载分开。由于它是一个分压器，SRC的直流增益总是低于 1。在谐振频率下，串联谐振腔的阻抗很小；负载上的所有输入电压都将下降。所以对于串联谐振变换器，最大增益发生在谐振频率。

图6 串联谐振变换器

SRC 的直流特性如图7，

工作区域位于谐振频率 fr 的右侧。这是因为零电压开关（ZVS）需要谐振网络始终工作在感性状态。从工作区域可以看出，在轻载下（Q接近0），开关频率需要增加到很高，以保持输出电压的调节。

图7

SRC的仿真波形如图8，在 300V 输入下，变换器工作在接近谐振频率的位置。随着输入电压的增加，变换器在远离谐振频率的更高频率下工作。随着频率的

增加，谐振腔的阻抗增加。这意味着越来越多的能量在谐振腔中循环，而不是转移到输出。在每个开关周期中，返回到电源端的能量越多，半导体需要处理的能量越高，导通损耗越高。

图8

SRC的缺点：

1）直流增益总是低于1；

2）轻载时输出调节，开关频率范围很大；

3）输入电压有范围变化时，高输入电压条件下，谐振腔循环能量大，关断电流大，导致损耗高。

4.2并联谐振变换器

并联谐振变换器的原理图如图9，谐振腔仍然是串联的。它被称为并联谐振变换器，因为在这种情况下，负载与谐振电容并联。

图9

并联谐振变换器PRC的直流增益如图10，与 SRC 类似，工作区也设计在谐振频率的右侧，以实现零电压开关（ZVS）。与 SRC 相比，工作区域小得多。在轻载时，频率不需要改变太多即能实现输出电压的调节。因此PRC 不存在轻载调节问题。

图10

PRC的仿真波形如图11，与 SRC 相同，PRC 变换器在 300V 时，工作于谐振频率附近。在高输入电压下，变换器工作在远离谐振频率，从仿真波形来看，在 300V 输入下，循环能量小于 400V 输入情况。与 SRC 相比，PRC 的循环能量要大得多。

图11

对于 PRC，一个大问题仍然是循环能量非常高，即使在轻载时也是如此。对于 PRC，由于负载与谐振电容器并联，即使在空载条件下，串联谐振腔的输入阻抗仍然非常小。这将导致相当高的循环能量，即使负载为零。

PRC的缺点：

1）工作区域小；

2）循环能力大，高输入电压下关断电流高。

4.3 LCC谐振变换器

LCC谐振变换器原理图如图12，其谐振腔由三个谐振元件组成：Lr、Cs 和 Cp。SPRC 的谐振腔可视为 SRC 和 PRC 的组合。

图12

LCC的直流特性如图13，

与 SRC 和 PRC 类似，工作区也设计在谐振频率的右侧，以实现零电压切换。从工作区域图可以看出，与 SRC 相比，SPRC 随负载变化的开关频率范围较窄。

图13

LCC的仿真波形如图14，比较开关波形，输入电流远小于 PRC，略大于 SRC。这意味着与PRC 相比，SPRC 的循环能量降低。与 SRC 和 PRC 相同，变换器在300V 的谐振频率附近工作。在高输入电压下，变换器工作在远离谐振频率的更高频率。与 PRC 和 SRC 一样，MOSFET 的循环能量和关断电流在高输入电压下也会增加。

图14

LCC的缺点：

1）在较宽的输入范围内，在较高的输入电压下，导通损耗和开关损耗会增加。

2）需要两个独立电容，因为电容会通过大电流，电容体积较大，且成本高。

4.4 LLC谐振变换器

通过对 SRC、PRC 和 SPRC 三种变换器的分析我们可以看到，对于宽输入范围的设计，它们都不是特别理想。高输入电压下会出现高循环能量和高开关损耗。它们不适用于前端 DC/DC 应用。

从前面分析中，我们可以得出结论，对于谐振腔，在其谐振频率工作时效率是最高的，LCC虽然有两个谐振频率，但是为了实现零电压开关，变换器必须工作在直流特性的负斜率段。如何在ZVS区获得谐振频率，通过改变LCC谐振腔将其变为双谐振网络，是可以实现的。

如图 15 所示，通过将 L 更改为 C 和把 C 更改为 L，可以构建LLC 谐振变换器。

图15

直流增益特性转变如图16，LLC 变换器的直流特性类似于 LCC 谐振变换器直流特性的翻转。同样也两个共振频率。在这种情况下，Lr 和 Cr 确定较高的谐振频率。较低的谐振频率由 Lm 和 Lr 的串联电感决定。现在，更高的谐振频率在 ZVS 区域，这意味着变换器可以设计为在该频率附近工作。

图16

从直流增益特性看，LLC谐振变换器的优点是在较宽的输入电压范围，和较宽的负载范围，可以在较窄的开关频率范围实现零电压开关。

另外相比LCC的3个谐振元件，LLC的两个电感可以集成在一个变压器上，减少一个实体电感。

关于LLC的详细工作原理，将在下一篇介绍。