这么完整的LLC原理讲解不分享出来可惜了！.docx

与传统PWM(脉宽调节)变换器不同，LLC是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路。它的优点是：实现原边两个主MoS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS),通过软开关技术,可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。学习并理解LLC,我们必须首先弄清楚以下两个基本问题：1 .什么是软开关；2 .LLC电路是如何实现软开关的。由于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。如图所示：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。1零电压开关（ZVS）开关管的电压在导通前降到零，在关断时保持为零。2零电流开关（ZCS）使开关管的电流在导通时保持在零，在关断前使电流降到零。由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的成绩（V*）有关，当采用零电压ZVS导通时，开关管上的电压几乎为零，所以导通损耗非常低。Vin为直流母线电压，S1,S2为主开关MOS管（其中Sd和Sc2分别为MOS管Sl和S2的结电容，并联在Vds上的二极管分别为MOS管S1和S2的体二极管），一起受控产生方波电压；A谐振电容Cr、谐振电杆Lr、励磁电杆Lm一起构成谐振网络;Anp,ns为理想变压器原副边线圈;A二极管D1,二极管D2,输出电容Cc）一起构成输出整流滤波网络。那么LLC电路是怎么实现软开关的呢?要实现零电压开关，开关管的电流必须滞后于电压，使谐振槽路工作在感性状态。1.LC开关管在导通前，电流先从开关MC）S管的体二极管（S到D）内流过，开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近OV（二极管压降），此时让开关MOS管导通，可以实现零电压导通；在关断前，由于D-S间的电容电压为OV而且不能突变，因此也近似于零电压关断（实际也为硬关断）。那什么是谐振呢?我们不妨先看看电感和电容的基本特性：与电阻不同，电感和电容都不是纯阻性线性器件，电感的感抗XL和电容的容抗XC都与频率有关，当加在电感和电容上的频率发生变化时，它们的感抗XL和容抗XC会发生变化。1、如下图RL电路，当输入源Vin的频率增加时，电感的感抗增大，输出电压减小，增益Gain=VoZVin随频率增加而减小。2、如下图RC电路，相反，当输入源Vin的频率增加时，电容的容抗减小,输出电压增大，增益Gain=VoZVin随频率增加而增加。下面我们分析一下LLC谐振电路的特性如图，当我们将L和C都引入电路中发现，当输入电压源的频率从0开始向某一频率增加时，LC电路呈容性（容抗感抗），增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加，当从这一频率再向右边增加时，LC电路呈感性（感抗容抗），增益Gain=VO/Vin随频率增加而降低。这一频率即为谐振频率（此时感抗=容抗，XL=XC=u）L=13C）,谐振时电路呈纯电阻性，增益最大。谐振条件：感抗=容抗，XL=Xc=L=1C谐振频率：fo那么谐振有什么作用呢?控制让谐振电路发生谐振，有三个参数可以调节。由于L和C的大小不方便调节，通过调节输入电压源的频率，可以使L、C的相位相同，整个电路呈现为纯电阻性，谐振时，电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上，同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。1.LC稳定输出电压原理将LLC电路等效分析，得到i如下简化电路。当交流等效负载RaC变化时,系统通过调整工作频率，改变Zr和Z。的分压比，使得输出电压稳定，LLC就是这样稳定输出电压的。Z。对LLC来说，有两个谐振频率，一个谐振频率f。是利用谐振电感Lr谐振电容Cr组成；另一个一个谐振频率什1是利用谐振电感U,励磁电感Lm,谐振电容Cr一起组成；谐振频率frl：/=1“2小S'谐振频率fr2:/，=京i_一r22mU+4)C再来看一份更为详细的LLC工作模态分析:开关网络：S1、S2及其内部寄生二极管Ds1Ds2寄生电容CdSICds2;谐振网络：谐振电容Cr、串联谐振电感Lr、并联谐振电感Lm;中心抽头变压器（匝比为,副边整流二极管D1、D2；1.1 输出滤波电容C。（忽略电容的ESR）,负载ROo1.2 1.LC变换器的模态分析根据LLC谐振变换器的直流增益特性可以将其分为三个工作区域。通常将LLC谐振变换器设计工作在区域1和2（感性区域），工作区域3（容性区域）是ZCS工作区。对于MOSFET而言，ZVS模式的开关损耗比ZCS模式的开关损耗要小。对于LLC电路，存在两个谐振频率:2yLrCr2y(Lr+Lm)Cr显然，frl>fr2o由直流特性曲线可知：当fs>fr2时，MOSFET工作在ZVS区域，对于MoSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小；在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也具备零电压开关能力。1.2.1 工作区域2(fr2VfVfn)模态1ML(tO<t<tl)t时刻，Q2恰好关断，谐振电流IrVO,IDRl=OoIr流经Dl,使VQl=O,为QlZVS开通创造条件。在这个过程中，PWM信号加在Ql上使其ZVS开通。(Ir从左向右为正)(Ir从左向右为正)Qlttl t2t3Ml:(K)VtVtl)这时Vin加在谐振腔上，Ir增大到0,在这个过程中，由电磁感应定律知八,；同名端为“+”，副边DRl导通，此一时副边电压即为输出电压。反推过去，原边电压即为恒定值(np*Vons),则Lm处于恒压储能状态，其电流线性上升。1.1.2工作区域2(fr2VfVfn)模态2M2：(tl<t<t2)ttl时段，Ql已经ONo谐振电流Ir从0开始以近似正弦规律增大，副边DRl依然导通，副边电压即为输出电压，那么原边电压是恒定值(np*Vons),那么电流Hm线性上升。M2：（tl<t<t2）此时工作在串联谐振状态，即Lr与Cr串联谐振，Lm上电压由于被箝位而只作为负载不参与谐振。在这个时段里,有Ir=Ilm+Inp。在t2时刻，Ir=Ilrru1.1.3工作区域2(fr2vfvfr1)模态3（Ir从左向右为正） M3：(t2<t<t3)t2时刻，InP=O,则副边电流也为0,即DRlZCS关断，不存在反向恢复的问题。在这个时段，Ql依然导通。这时（Lr+lm）与Cr形成串联谐振，由于时间较痘，而且（Lm+Lr）也很大，认为电流保持不变，Ir=IImoIl4,J H 有VJ I Il在t3时刻，Ql关断，电流Ir（大于0）为ZVS开通Q2创造条件。从这个模态可知，MOSFET的关断电流即为激磁电流，通过变压器的合理设计，使激磁电流比负载电流小的多，那么可以降低开关损耗。同时可知，ZVS开通是由于激磁电流所得，此时原副边断开，与负我电流无关，那么即使在零电流负载的条件下也能实现ZVS开通。Il Il Il ctl t2t31.1.4工作区域2(fr2vfvfr1)模态4模态4该模态下，谐振电流对开关管的结电容冲/放电，当电容S2结电容复位，即VdS电压为零时，为S2的ZVS提供条件。模态49)1.1.5工作区域2(fr2vfvfr1)模态5在下半个周期，其模态与上半个周期一样。在t3时，Ql关断了，激磁电流流经D2>Cr>Lr>Lm形成回路，龟流在减小；季通，此时副边电压为Vo,原边电压为(np*Vons);电感Lm上的电流线性下降到O之前，将Q2开通,即实现了ZVS开通。而Ir的电流已正弦规律下降(我时是Lr与Cr谐振)。(瞰后同样的，达到，进入Lr+Lm与Cr谐振阶段,置到Q2关断，那么将进入下一个周期。1.2 f=f11情况下的波形图相对于fr2<f<frl工作模态，f=frl情况下，少了模态3.1.3 f>fr1情况下的模态分析1.3.1 工作区域1(f>fr1)模态1Ml(tO<t<tl)t时刻，Q2恰好关断，此时Lr的电流r<0(从左向右记为正)。Ir流经Dl,为QIZVS开通创造条件，并且Ir以正弦规律减小到0。(Ir从左向右为正)Ml(tO<t<tl)由电磁感应定律知，副边DRl导通，副边电压即为输出电压Vo,则原边电压即为(np*Vonp),Lm上电压为定值,Hm线性上升到0,此时Lr与Cr谐振。在这段时间里Ql开通。1.3.2 工作区域1(f>fr1)模态2仲从左向右为正)(2)M2(tl<t<t2)CU已经ON,Ir依然以正弦规律增大，IIm依然线性上升，在t2时刻，Ql关断，但lr>llm,在Ql关断时，副边二极管依然导通Jns依然有电流，同时Ir的存在，为Q2的ZVS开通创造了条件。1.3.3 工作区域1(f>fr1)模态3模态3模态3电该模态下，谐振电流对开关管的结电容冲/放电，当电容S2结电容复位，即VdS电压为零时，为S2的ZVS提供条件。1.3.4 工作区域1(f>fr1)模态4下半个周期与上半个周期类似：在t2时刻，Ql关断，Ir电流流经D2,在这个过程中Q2开通，实现了ZVS开通，并且强制lr>llm;(2)Hm电流开始减小，由电磁感应定律知,同名端为“，副边DR2导通，原边Lm电压恒定，其电流线性减小，直至Q2关断。总结：开关频率fr2vfvfr1时，且谐振网络工作在感性区域时，LLC变换器原边开关管实现ZVS,且流过输出整流二极管的电流工作在断续模式，整流二极管实现ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗;开关频率f=fr1时，LLC谐振变换器工作在完全谐振状态，原边开关管可以实现ZVS,整流二极管工作在临界电流模式，此时可以实现整流二极管的ZCS,消除了因二极管反向恢复所产生的损耗；开关频率f>fr1时，LLC谐振变换器原边开关管在任何负载下都可以实现ZVS,但是变压器励磁电感由于始终被输出电压所钳位，因此，只有Lr.Cr发生串联谐振，而Lm在整个开关过程中都不参与串联谐振，且此时输出整流二极管工作在电流连续模式，整流二极管不能实现ZCS,会产生反向恢复损耗。