LLC谐振变换器的原理说明

LLC谐振变换器

要提高主变换器能效,可以采用以下四种方式:

一是降低导通损耗或者是减小初级峰值电流和均方根电流来降低一次导通损耗;

二是采用软开关技术降低开关损耗;

三是减小整流器的压降,例如采用低的正向压降二极管或者FET整流器,来降低二次损耗; 四是采用更好的磁芯材料来降低磁芯损耗.

杨恒.LED照明驱动器设计步骤详解[M].北京：中国电力出版社.2010

1软开关技术的提出（电力电子技术-西安交通大学王兆安黄俊第四版）

还是从小型化、轻量化的发展趋势看，装置的效率以及电磁兼容的要求变得更高。当提高开关频率，开关损耗增加，电路的效率下降，电磁干扰也增大，这里提出了软开关技术，它是利用谐振的辅助换流手段，从而解决电路的开关损耗和开关噪声的问题。

硬开关：开关过程中，电压电流均不为零，出现重叠，因此导致开关损耗（电路效率的降低、阻碍开关频率的提高）。并且，电流电压变化很快，波形有明显的过冲，导致了开关噪声（电磁干扰EMI）。如图5-1所示：

图5-1 硬开关电路波形

软开关：通过增加电感、电流等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程的前后引入谐振过程。开关开通前电压降为零，或者关断之前电流降为零，消除电压电流之间的重叠，降低电压电流的变化率，减小开关损耗和开关噪声。如图5-2所示：

图5-2 软开关电路波形

主要的软开关拓扑结构有:

结合本文设计要求,将采用双电感加单电容的谐振变换器。

2谐振变换器的发展

为了降低开关损耗和开关噪声，并且容许高频运行，谐振开关技术得到了发展。在各类的谐振变换器中，LC串联谐振变换器是最简单也是最普遍的。

1）LC串联谐振变换器

电路中电感与电容串联，形成一个串联谐振腔。这个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作用，增益总是小于1。谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频率fr下阻抗最小，此时的增益也最大。根据电路的直流特性可知：

① fs>fr时,开关管 Q-->ZVS；

②轻载时，fs要变化很大才能保证输出电压不变;

③ Vin增大时,fs增大使输出电压保持不变。

此时谐振腔的阻抗也增大，则谐振腔内有很高的能量在循环，而并没有把这些能量供给负载，并且使半导体器件的应力增大。

因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整率高、高的谐振能量、高输入电压时较大的关断电流等。

2）LC并联谐振变换器

根据其直流特性可知：

① fs>fr时，实现软开关；

②轻载时，fs并不要变化很大来维持输出电压不变；

③ Vin增大时，fs增大来维持输出电压不变。

此时谐振腔内循环的能量依然很大，即使是在轻载的条件下，由于负载与电容并联，仍然有一个比较小的串联阻抗。与SRC相比，PRC优点：在轻载时，频率变化不大即可保证输出电压不变。其缺点是：高的谐振能量、高输入电压时关断电流较大会引起较大的关断损耗。3）LCC谐振电路：

对于LCC电路，存在两个谐振频率：

f r=

1

2π√L r C r

f p=

2π√L r(C r//C m)

显然，fr2

①当fr2

②为了满足ZVS，fs>fr1，这样低频谐振点没有利用。

从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现ZVS，如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点就可以利用上。因此，出现了特性较好的谐振变换器LLC结构。

3 LLC谐振变换器

LLC谐振变换器的拓扑结构有两种：

一是全桥：电压增益较大（2倍半桥），初级电压是半桥的两倍，变压器原边电流减小一半。

一般情况下，LLC 谐振拓扑包括3级电路，如图3所示:方波发生器、谐振网络和整流器网络。

方波发生器负责产生方波电压V d，通过50%占空比交替驱动开关Q1 和Q2 来实现。通常，在连续切换中会引入一个较小的死区时间（防止直通，造成开关管的损坏）。方波发生器可以构造成全桥或半桥类型。

谐振网络是由电容、变压器漏感和励磁电感组成的。谐振网络可以滤除高次谐波电流。电流滞后于施加到谐振网络上的电压，可以实现MOSFET零电压开通。当 MOSFET 电压为零时 MOSFET 开通，此时电流流经反并联二极管。

整流器网络主要用于产生直流电压。采用整流MOSFET和电容对交流电进行整流。整流器网络可以设计成带有容性输出滤波器的半波整流器桥。

3.1基本工作原理

对于LLC谐振电路，存在两个谐振频率：

f r=

2π√L r C r

f p=

1

2π√(L r+L m)C r

则显然：f r>f p。

令MOS管工作在ZVS区域，对于MOS管而言，ZVS模式下的开关损耗比ZCS模式下要小很多，并且在轻负载时，LLC的谐振开关频率变化很小，即使在空载时，也能实现零电压开关。

a.在t0时刻：Q2关断，谐振电流I r<0（定义：I r从左到右为正），为Q1的结电容放电（ZVS

的约束条件），使得V Q1=0，为Q1零电压开通提供条件。此时PFM信号加在Q1上使其ZVS 导通。

b.t0~t1：V in加在谐振网络上，I r增大到0，此时副边MOS管导通，副边电压作为输出电压，

而原边电压也为恒定值，L m被箝位，处于恒压储能状态，电流线性上升。

c.t1~t2：Q1导通，此时工作在串联谐振状态，即L r与C r谐振，L m被箝位，不参与谐振。

此时I r=I lm+I lp；在t2时刻，I r=I lm，副边电流为零，即副边实现ZCS，因此不存在反向恢复。

d.t2~t3：Q1依然导通，此时(L r+L m)与C r形成串联谐振，由于作用时间短，而且(L r+L m)

很大，可以认为此时的电流保持不变，即I r=I lm。

e.在t3时刻：Q1关断，此时电流I r为Q2的结电容放电，使得V Q2=0，为Q2零电压开通提供

条件。此时PFM信号加在Q2上使其ZVS导通。

可以看出，MO S管的关断电流是激磁电流I lm，在设计变压器的时候，使激磁电流I lm小于负载电流，就能很好的降低开关损耗。而且，ZVS开通也是激磁电流I lm得来的，因此