第8章 谐振开关型变换器
谐振转换器工作原理
4．主开关电源电路（1）LLC谐振转换器工作原理随着开关电源的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用，已推出了不少高效率的电路，尤其是谐振型的软开关电源和PWM型的软开关电源。
近几年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的导通电阻、寄生电容和反向恢复时间越来越小，这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。
对于谐振变换器来说，如果设计得当，能实现软开关变换，从而使得开关电源具有较高的效率。
LLC谐振变换器实际上来源于不对称半桥电路，后者用调宽型（PWM）控制，而LLC谐振是调频型（PFM）。
LLC谐振电路简图如图10所示，工作波形图如图11所示。
电路中有两只功率MOs管（S1和S2），其工作的占空比均为0.5。
谐振电容为Cs。
Tr为匝数相等的中心抽头变压器，其漏感为Ls，激磁电感为Lm（Lm在某个时间段也是一个谐振电感）。
从图11中不难看出，在LLC谐振变换器中，谐振元件主要由谐振电容Cs、电感Ls和激磁电感Lm组成，LLC变换器的稳态工作原理如下：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的体内二极管导通。
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。
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。
当t =t3时，S1仍然导通，而D1与D2处于关断状态，T：副边与电路脱开，此时Lm，Ls和Cs一起参与谐振。
由于实际电路中Lm>>Ls，因此在这个阶段中，可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。
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的体内二极管导通。
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。
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。
-软开关技术(soft technique)
（7-5） （7-6）
Poff f s
toff 0
t on t ri t fv
Ploss
toff trv t fi
1 VD I 0 f s (ton toff ) 2
线路电感 Lσ≠ 0 时开通、关断过程
VT
图7.11
安全工作区
Lσ=0时，开通轨迹ABC，关断轨迹 CBA Lσ≠ 0时，开通轨迹AQEC，关断轨 迹CBHPA Lσ改善了开通轨迹，恶化了关断轨 迹
开关状态2：t1<t<t2
T1断态，Vcr＝VT1＝VD。iL经D2、T2 续流，Io经D0续流。Toff=t2-t1可控， 用以调控输出电压。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PW 变换器工作原理（续4）
开关状态3：t2<t<t3
t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD， iL达到负最大值。
t
VD
D
rT IO iD
T
iT
rT
iD
(a) 电路
t
t 0 t1 vT (v CE ) t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t t10 9
iT
电压限制线
R E
I CM
N C
VD
vT
电流限制线 10us功率限制线
vT
t
td PT t ri
IO
B
t fv
t on PT vT iT
ts
t rv t fi
第8章
谐振开关型变换器 --软开关技术（soft-switch）
1
现代电力电子的发展------高频化
谐振串联型开关电容DC／DC变换器
1 引言开关电容直流变换器是以电容为储能元件的功率变换器，其体积小、重量轻、效率高且易于集成。
但硬开关控制方式的开关电容变换器存在开关电流大、EMI问题严重等缺点。
谐振型开关电容直流变换器对于开关损耗、EMI和电流应力等性能有所改善，但同时存在一个问题：对于升压式电路，电容充电时，该电容不能同时向负载放电，只能由输出电容向负载供电，变换器输出电流占空比就会较小，势必导致工作电流峰值变大，使阻性损耗变大。
采用双相的电路结构可使电流占空比增大一倍，但功率器件数量也相应增加一倍。
根据向串联电容逐个充电能升压的原理，参考文献，在此提出一种谐振串联型开关电容DC／DC变换器，电路在对谐振电容充电的同时，能以恒流方式向负载放电，可增大工作电流占空比，从而减小谐振峰值电流，降低阻性损耗，提高变换效率。
2 主电路图1示出谐振型2倍压主电路拓扑结构，Cs，L1为低压端EMI滤波元件，C3，L3为高压端EMI滤波元件。
谐振电容C1，C2与C3间用L3相连。
电路工作波形如图2所示，工作分4个模态：模态I VT1，VD1导通，VT2，VD2关断，电源电流通过L1，L2，VT1，VD1向C1谐振充电，同时电源和C2串联向负载供电，即图2波形T2时段；模态II VT1仍然导通，VT2，VD2继续关断，由于VD1的反向阻断，VT1无电流，电路为C1，C2串联向负载放电，即图2波形t3～t4时段；模态III VT1，VD1关断，VT2，VD2导通，电源向C2充电，同时与C1串联向负载供电，类同模态I；模态IV 类同模态II。
模态II至模态IV，历经总时间为T3。
简言之，电源轮流向电容充电，电容串联升压输出。
若T2=T3，则模态II和IV时间为零，则输入充电电流时间占空比为100％。
由于谐振型电路工作要基于电路的参数，当电路LC谐振参数确定后，T2通常不能改变。
则调压方式只能是改变模态II和IV的时间，也即调频方式。
当T2=T3时，为开关频率上限fh=1／(2T2)，调节输出电压时，只能在fh上限频率处向下调节。
谐振复位双开关正激变换器
谐振复位双开关正激变换器CATALOGUE目录•引言•谐振复位双开关正激变换器的工作原理•控制电路与驱动设计•变换器的性能评估•变换器的应用案例与比较•总结与展望引言CATALOGUE 01定义与特性类型与分类谐振复位双开关正激变换器概述工作原理应用领域工作原理和应用领域目的本报告旨在详细介绍谐振复位双开关正激变换器的工作原理、特性、应用领域等方面的内容，为读者提供全面的了解和参考。
结构本报告首先介绍谐振复位双开关正激变换器的概述和工作原理，然后分析其特性、性能优势以及应用领域，最后总结报告内容并展望未来发展趋势。
本报告的目的和结构谐振复位双开关正激变换器的工作原理CATALOGUE02工作模式说明工作模式1在输入电压的正半周，开关管Q1导通，谐振电容Cr与主变压器Tr的原边绕组Lp1谐振，将能量传递到副边，同时给输出电容Co充电，为输出负载提供能量。
工作模式2在输入电压的负半周，开关管Q2导通，谐振电容Cr与主变压器Tr的原边绕组Lp2谐振，同样将能量传递到副边，维持输出电压稳定。
开关管Q1、Q2谐振电容Cr主变压器Tr输出整流二极管D1、D2关键元器件及其功能输入电压波形为正弦波，经过全桥整流后得到脉动的直流电压。
为具有一定死区的互补PWM波，用于控制开关管的导通与关断。
在开关管导通期间，谐振电容电压近似为正弦波；在开关管关断期间，谐振电容通过主变压器原边绕组放电。
在开关管导通期间，原边绕组电流逐渐上升；在开关管关断期间，原边绕组电流通过谐振电容放电回路逐渐减小。
根据负载情况和输出电压要求，副边绕组电压电流波形会有所不同，但总体上呈现稳定的直流特性。
工作波形和电压电流特性开关管驱动波形原边绕组电流波形副边绕组电压电流波形谐振电容电压波形控制电路与驱动设计CATALOGUE03010203调制方式选择控制策略及实现方法软开关技术控制算法设计变换器的性能评估CATALOGUE04评估方法通过对变换器输出波形进行观测和分析，可以判断其工作稳定性和效率。
谐振开关型变换器
+ VT T
A
Lf
If = Io
Io
Cf
Vo
VD
D
B
图8.3 硬开关、缓冲软开关、 零电压开关轨迹
首先在大电流iT=Io下，vT从0→VD，；（ CB段） 然后在高压VT=VD下，iT从Io→0。 （ BA 段）
3
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性(续2)
软开关：有LC缓冲器时的开关过程
二、零转换(Zero-Transition)谐振变换器：变换器主电路输入电 流不经过谐振电感Lr ，Lr在电路中不参与对负载通态供电。
11
8.2 谐振开关型变换器的类型（续2）
一、零开关谐振变换器（Zero-Switching）ZVS ZCS 二、零转换谐振变换器（Zero-Transition）ZVT ZCT
iT
+ VT T
A
Lf
If = Io
D
Io
Cf
Vo
断 态
开通 过程
通态
关断 过程
断 态
rT vT
rT
VD
vT
B
VD
vT t 2t3 t 4 t5
iT
IO
vT iT vT iT t6 t 7 t8 t 9 t10 t
t1
vT、iT、rT 图8.2 零电压开通、零电流关断时
在主电路中加入Lr，Cr引发谐振， 可使开关管处于零电压、零电流状态
谐振开关型变换器
硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性 谐振开关型变换器的类型
零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器
零电流关断脉冲宽度调制（ZCS PWM）变换器
直流环节并联谐振型逆变器PRDCLI
浅谈谐振变换器
K的取值
K值对效率的影响：
K值越小，意味着对于相同的Lr ,其励磁电感越小，器件 损耗会增大，效率降低。通常取K值在3~7之间。
Q的取值
对于同一个增益，不同负载下Q值是变化的，但Q值有一 个最大值Qmax，如果Q>Qmax, LLC将进入ZCS区域。
Q的取值
由：
Z 2π f L
Q= o =
rr
fr2 = 2π
1
Cr Lm + Lr
M=
1
(1 +
1 k
−
1
kf
2 n
)
2
+ Q2( fn
−
1 )2 fn
品质因数：
Q = ωoL = 1 L R R Cs
k = Lm Lr
LLC的Q值曲线
根据LLC的增益函数，可以得到LLC的增益曲线 Q值减小
K的取值
K值对LLC的增益曲线的影响：
K值越小，Q值曲线越陡峭，要得到 相同增益时，频率变化范围越小。 K值越大，Q值曲线越平缓，要得到 相同增益时，频率变化范围越大。
谐振变换器概述
在变换器应用中，有一类将直流电变为高频正弦交流 电的变换器，作为变换器的中间环节或者直接输出， 主要应用于： 1. 雷达、通信中的射频功率放大器； 2. 感应炉的高频逆变器； 3. 使用高频正弦中间储能环节的谐振DC/DC变换 器； 4. 日光灯的电弧装置； 5. 使用谐振储能或作为变压器的其他电力变换器
小的纹波电流。
串并联谐振电路（LCC）
L3 V4
Cs R
L3
Cp
R
V4
L
Cs
Cp
R
V
串并联谐振电路是串联谐振电路和并联谐振电路的结合，具有串 联谐振和并联谐振的优点，轻载时呈现并联谐振的特性，重载时 呈现串联谐振的特性，其固有谐振频率随负载的不同而改变。
《LLC谐振变换器》课件
LLC谐振变换器结构简单，易于集成到小型 电路中，方便设备的生产和维护。
LLC谐振变换器的应用领域
01
02
03
通信电源
LLC谐振变换器具有较高 的能量转换效率和宽输入 输出电压范围，适用于通 信设备的电源供应。
电力电子设备
LLC谐振变换器可以应用 于各种电力电子设备中， 如电机控制器、逆变器等 ，提供高效的电能转换。
01
可靠性优化实例
采用高品质的元件和严格的筛选标准， 加强散热设计和过载保护，提高LLC谐 振变换器的可靠性。
02
03
可靠性优化效果
通过可靠性优化，LLC谐振变换器的平 均故障间隔时间（MTBF）可提高数倍 ，甚至达到数千小时以上。
05
LLC谐振变换器的实验验 证与结果分析
LLC谐振变换器的实验平台搭建
数字控制算法
通过微控制器或数字信号处理器实现控制算法，具有 高精度和灵活性的优点，但实时性相对较差。
混合控制算法
结合模拟和数字控制算法，根据系统需求选择合适的 实现方式。
04
LLC谐振变换器的优化设 计
LLC谐振变换器的效率优化
效率优化方法
通过改进电路拓扑、优化元件参数、采用软开关技术等手段，提高 LLC谐振变换器的效率。
电压控制策略
混合控制策略
通过检测输出电压，调整变换器的开 关频率或占空比，以实现输出电压的 稳定。
结合电压和电流控制策略，以实现更 优的控制效果。
电流控制策略
通过检测变换器的输入或输出电流， 调整开关频率或占空比，以实现电流 的恒定控制。
LLC谐振变换器的调制技术
脉冲宽度调制（PWM）
通过调节开关的占空比，控制输入到LLC谐振变换器的能量，从而 调节输出电压或电流。
谐振变换器
L C
③（t3~t4）阶段：
Ui
D
Io
t3时刻以后，L向C反向充电，uC S 继续下降，直到t4时刻uC=0。 O (t1~t4)阶段的谐振提供了零电压开 us(uc) 通条件。
t
在整个（t1~t4）阶段：
u c U m sin0 (t - t1 ) U i U m I o Z0 L Z0 C (8 32)
L
Ui
Co
Io
Ui
2Ui
t0 t
3、（t4~t6）阶段： uc 线性变化阶段
(t1~t4)阶段的谐振提供了零 iL 电流关断条件，开关S在零 电流下关断，电容C继续向 负载放电， 在该阶段：
u c U C3 Io (t - t 4 ) C (8 27 )
S Ts
t
Io
Io+Im
t
Ui
us
t
uD
t6时刻， uc=0。
Co Io
uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
4、(t6~t0)阶段：
S为断态，D为通态。 该模式一直持续到开 关S下一次开通。
iL
S Ts
t
Io
Io+Im
t
us Ui
t
uD D
Io
uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
2Ui t0
S Ts
t
iL
Io Io+Im
t
us Ui
t
uD uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
（二）M型零电流（ZCS）谐振变换器 （见教材）
二、零电压（ZVS）准谐振变换器
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Lr DQ Iin Q Cr + iLr vCr _
D
Vo
iLr Iin 0 iQ 0
阴影部分为 DQ导通
t Iin t t0 t1 t1a t2 t3 t4
34
34
8.2准谐振变换器(QRCs) 输入电感电流续流模式
Q vCr 0 Vo 2Iin t t
Lr DQ Iin Q Cr + iLr vCr _
7
8.1软开关变换器的分类
减小开关损耗的方法
减 (1) 在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而 小 减小电流与电压的交叠区，这就是所谓的零电流开通。 开 通 (2) 在开关管开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通。 损 耗 (3) 同时做到(1)和(2)，在这种情况下，开通损耗为零。
27
27
8.2 准谐振变换器 (QRCs)
谐振开关 零电流开关准谐振变换器(ZCS QRCs)
零电压开关准谐振变换器(ZVS QRCs)
28
S
Lr
Lf
8.2准谐振变换器(QRCs) ZVS准谐振变换器族 (1) L L
b r
D
RLd +
RLd
+ S Vin Cr Cf Vo _
Vin
Cr
DQ Q Vin
Lr iLr Qa + vCr _ Da D Cr
Lf
RLd + Cf Vo _
Buck ZCS PWM变换器
39
*8.3 ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器 电感电流线性增加模式
Q t t
DQ Q Vin
Lr iLr Qa + vCr _
Qa iLr
D Cr
Io
0
Io 2Vin
ZCS准谐振变换器族 (1) C
r
D Lb Lr
Lf
RLd + Vo _
Lr S Vin Cr
RLd + Cf Vo _
Vin S
Cf
Boost
Cr Cb Lf RLd _ Lr Vin S D Cf Vo +
Buck
Lr S Vin Lc Cr Cf D RLd
Lb
_
Vo +
Buck-Boost
Cuk
9
8.1 软开关变换器的分类
硬开关的概念
软开关的概念
软开关的分类
10
8.1软开关变换器的分类 开关轨迹：软开关vs 硬开关
ic 开通
开通 关断
SOA 关断
ic
SOA
0
vce
0
vce
11
8.1 软开关变换器的分类
硬开关的概念 软开关的概念
软开关的分类
12
8.1软开关变换器的分类
41
t Vin t
*8.3 ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器
Buck变换器的开关管导通模式
Q t t
DQ Q Vin
Lr iLr Qa + vCr _
Qa iLr
D Cr
Io
0
Io 2Vin
t
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a tP t1b t2 t3 t4 Vin t
42
DQ Q Lr iLr + vCr _ D Lf
RLd + Cf Vo _
Vin
Cr
22
8.2准谐振变换器(QRCs) 电感电流线性增加模式
Q t
DQ Q
Lr iLr + vCr _
iLr 0 Io 2Vin t
Vin
Cr
D
Io
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a t1b t2 t3 t4 Vin t t
Lr Qa + vCr _
Qa iLr
D Cr
Io
0
Io 2Vin
t
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a tP t1b t2 t3 t4 Vin t
全 波 模 式
Cr
Lr
Lr
Q
DQ
Cr
Q
DQ
半 波 模 式
Cr
DQ
DQ
Lr
Lr
Q Cr
Q
18
8.2 准谐振变换器 (QRCs)
谐振开关
零电流开关准谐振变换器(ZCS QRCs)
零电压开关准谐振变换器(ZVS QRCs)
19
8.2准谐振变换器(QRCs)
Q S DQ Full-Wave Q DQ Half-Wave
2
第8章 谐振开关型变换器
8.1 软开关变换器的分类 8.2 准谐振变换器(QRCs) *8.3 零电流开关(ZCS) PWM变换器和零电压开关 (ZVS) PWM变换器 *8.4 零电压转换PWM变换器 8.5 移相控制零电压开关全桥变换器 *8.6 谐振直流环节逆变器
3
8.1 软开关变换器的分类 硬开关的概念 软开关的概念 软开关的分类
t
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a tP t1b t2 t3 t4
40
t Vin t
*8.3 ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器
谐振模式：电容充电
Q t t
DQ Q Vin
Lr iLr Qa + vCr _
Qa iLr
D Cr
Io
0
Io 2Vin
t
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a tP t1b t2 t3 t4
4
8.1 软开关变换器的分类 硬开关的概念
软开关的概念
软开关的分类
5
8.1软开关变换器的分类 功率开关管工作的几个术语
开通
导通
截止
关断
6
8.1软开关变换器的分类 功率开关管的硬开关工作
ic
vce
ic 开通
SOA 关断
0 ploss 0 Ploss(on)
t Ploss(off)
t
0
vce
32
32
8.2准谐振变换器(QRCs) 谐振模式
Q vCr 0 Vo 2Iin t t
Lr DQ Iin Q Cr + iLr vCr _
D
Vo
iLr Iin 0 iQ 0
阴影部分为 DQ导通
t Iin t t0 t1 t1a t2 t3 t4
33
33
8.2准谐振变换器(QRCs) 电感电流线性下降模式
Lr * Tr * DR2 Vin S Cr Cf DR1 Lf RLd
Lr
+ Vo _
Tr * *
DR1 Cf
RLd
+ Vo _
Vin
S Cr
Forward
Flyback
Q S DQ
DQ Half-Wave
Full-Wave Q
30
30
8.2准谐振变换器(QRCs)
Lb DQ Vin Q Cr
Lr + iLr vCr _
减 (1) 在开关管关断前，使其电流减小到零，这就是所谓的零电流关断。 小 关 (2) 在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而 断 减小电流与电压的交叠区，这就是所谓的零电压关断。 损 耗 (3) 同时做到(1)和(2)，在这种情况下，关断损耗为零。
8
8.1软开关变换器的分类 功率开关管的软开关工作
DQ Q
Lr iLr + vCr _
iLr 0 Io 2Vin t
Vin
Cr
D
Io
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a t1b t2 t3 t4 Vin t t
25
8.2准谐振变换器(QRCs) 电容线性放电模式
Q t
DQ Q
Lr iLr + vCr _
iLr 0 Io 2Vin t
Vin
vbe 0 vce ic vce t vbe 0 vce ic vce t
0 ploss 0 Ploss(on) 开通 Ploss(off)=0 关断
t
0 ploss ploss(on)=0 开通 关断 ploss(off)
t
t
0
t
零电流开关 (Zero-Current-Switching)
零电压开关 (Zero-Voltage-Switching)
Cf
Vo _
Buck
S Cr Vin Lr D RLd
Lb
Boost
Lr Cb Lf
_
Lc Cf Vo +
S Vin Cr
RLd
_ Vo +
D
Cf
Buck-Boost
Q S DQ Full-Wave Q DQ Half-Wave
Cuk
29
29
8.2准谐振变换器(QRCs) ZVS准谐振变换器族(2)
t
*8.3 ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器
谐振模式：电容放电
Q t t
DQ Q Vin
Lr iLr Qa + vCr _
Qa iLr
D Cr
Io
0
Io 2Vin
t
vCr Vin 0 vQ 0 t0 t1 t1a tP t1b t2 t3 t4
43
t Vin t
*8.3 ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器
D
RLd
+ Vo _
Cf
半波模式Boost ZVS QRC