LLC谐振变换器与不对称半桥

LLC谐振变换器与

不对称半桥变换器的对比

1不对称半桥变换器

图中互补控制的功率MOSFET（S1和S2），其中S1的占空比为D，S2的占空比为（1－D）；隔直电容Cb，其上电压作为S2开通时的电源；中心抽头变压器Tr，其原边匝数为Np，副边匝数分别为Ns1和Ns2；半桥全波整流二级管D1和D2；输出滤波电感Ld，电容Cf。

不对称半桥（AHB）变换器的稳态工作原理如下。

1）当S1导通S2关断时，变压器原边承受正向电压，副边Ns1工作；二极管D1导通，二极管D2截止；

2）当S2导通S1关断时，隔直电容Cb上的电压加在变压器的原边，副边N s2工作，二极管D1截止。

图2中n1=N p/N s1，n2=N p/N s2，且n1=n2=n。通过对电路的分析，可以得到传统不对称半桥变换器占空比D的计算公式

2.LLC谐振变换器

图3和图4分别给出了LLC谐振变换器的电路图和工作波形。图3中包括两个功率MOSFET （S1和S2），其占空比都为0.5；谐振电容Cs，副边匝数相等的中心抽头变压器Tr，Tr的漏感Ls，激磁电感Lm，Lm在某个时间段也是一个谐振电感，因此，在LLC谐振变换器中的谐振元件主要由以上3个谐振元件构成，即谐振电容Cs，电感Ls和激磁电感Lm；半桥全波整流二极管D1和D2，输出电容Cf。

LLC变换器的稳态工作原理如下。

1）〔t1，t2〕当t=t1时，S2关断，谐振电流给S1的寄生电容放电，一直到S1上的电压为零，然后S1的体二级管导通。此阶段D1导通，Lm上的电压被输出电压钳位，因此，只有Ls和Cs参与谐振。

2）〔t2，t3〕当t=t2时，S1在零电压的条件下导通，变压器原边承受正向电压；D1继续导通，S2及D2截止。此时Cs和Ls参与谐振，而Lm不参与谐振。

3）〔t3，t4〕当t=t3时，S1仍然导通，而D1与D2处于关断状态，Tr副边与电路脱开，此时Lm，Ls和Cs一起参与谐振。实际电路中因此，在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。

4）〔t4，t5〕当t=t4时，S1关断，谐振电流给S2的寄生电容放电，一直到S2上的电压为零，然后S2的体二级管导通。此阶段D2导通，Lm上的电压被输出电压钳位，因此，只有Ls和Cs参与谐振。

5）〔t5，t6〕当t=t5时，S2在零电压的条件下导通，Tr原边承受反向电压；D2继续导通，而S1和D1截止。此时仅Cs和Ls参与谐振，Lm上的电压被输出电压箝位，而不参与谐振。

6）〔t6，t7〕当t=t6时，S2仍然导通，而D1和D2处于关断状态，Tr副边与电路脱开，

此时Lm，Ls和Cs一起参与谐振。实际电路中因此，在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。

通过上面的详细分析，对这两类软开关型变换器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面将对它们之间的差异进行比较，进一步加深对它们的认识。

两种变换器差异的对比

不对称半桥变换器是PWM型的，而LLC谐振变换器是谐振型的，因此，它们在控制方法、副边整流管的电压应力、原边的电流应力等方面有很大的差异，

不对称半桥变换器通过调节开关管的占空比来调节输出电压，不对称半桥变换器的掉电维持时间特性比较差.

LLC谐振变换器是通过调节开关频率来调节输出电压的，也就是在不同的输入电压下它的占空比保持不变，掉电维持时间特性比较好.

副边整流管电压应力的对比

在LLC谐振变换器中副边二极管上的电压应力是输出电压的2倍

不对称半桥变换器副边整流管电压应力D1=Vin/1-D, D2=Vin/D

3副边二极管的开通对比

从对不对称半桥变换器的分析可知其副边二极管是硬开通，损耗比较大；而从对LLC 谐振变换器的分析可知其副边二极管是零电流开关，损耗比较小，这样就可以提高变换器的效率。

4其他方面

首先，在不对称半桥变换器中上下开关管的占空比是互补的，因此，不对称半桥变换器中的变压器有直流偏置现象；而在LLC谐振变换器中上下开关管的占空比是相等的，因此，LLC谐振变换器中的变压器没有直流偏置现象。

LLC谐振变换器是通过调开关管的工作频率来调节输出电压，因此，对于LLC谐振变换器来说，要实现同步整流控制比较复杂；而不对称半桥变换器是通过调开关管的占空比来调节输出电压，因此，对于不对称半桥变换器来说，要实现同步整流控制比较简单。

LLC谐振变换器的电流应力比较高；不对称半桥变换器中电流应力比较低。

1 工作原理

图1所示是半桥结构的LLC串联多谐振变换器:两个主开关S1和S2构成一个半桥结构，其驱动信号是占空比固定50％的互补信号，通过改变开关频率来实现输出电压的恒定。因此，这类谐振型变换器也可以归类于控制型软开关电路。电感Ls、电容Cs和变压器的励磁电感Lm构成一个LLC谐振网络。该谐振网络连接在半桥的中点与地之间，因此，谐振电容Cs也起到隔直电容的作用。在输出侧，整流二极管D1和D2构成中心抽头的整流电路，整流二极管直接连接到输出电容Co上。

LC的本征谐振频率定义为

本文所述的LLC串联多谐振变换器的开关频率范围为fm

在下面的分析中，Co被认为是无穷大而以恒压源Vo代替，主开关具有反向并联的二极管。该变换器的一个开关周期可以分为6个工作阶段，其等效电路如图2所示。相应的工作波形如图3所示。6个工作阶段的工作原理如下。

图2 各阶段等效电路

1）阶段1〔t0～t1〕在t0时刻S2关断,谐振电流ir对S1的输出电容放电，S1的漏－源电压vds1开始下降,当vds1下降到零，S1的体二极管导通。输入电压加在LLC串联回路上。在副边，变压器绕组的极性为上正下负，D1导通，Lm 的电压被输出电压Vo钳位，谐振实际上发生在Ls与Cs之间，Lm上的电流im 线性上升。

2）阶段2〔t1～t2〕在t1时刻S1在零电压条件下开通。im继续线性上升，ir流经S1并以正弦波形式逐渐上升。流过D1的输出电流为谐振电流与励磁电流之差。开关周期大于Ls与Cs的谐振周期，因此，在ir经过半个谐振周期后，S1仍然处于开通状态。当ir下降到与im相等时，D1电流因过零而关断。该工作阶段结束。

图3 主要工作波形

由于加在Lm上的电压为nVo，im可表示为