LLC谐振变换器工作原理深入解析

llc谐振转换器是led tv的主功率级拓扑之一，相比其它转换器具有更多优势，但因为其设计复杂困难，所以在过去很少受到关注。不过，这几年间，ic制造商已开发出用于 llc 谐振转换器的控制器，而且发表了许多相关技术说明和设计工具，让其设计变得更容易，并使得这种技术获得更多的关注。llc谐振转换器已经成为 led tv最流行的主功率级拓扑。llc谐振转换器的出色优点有： 　a) 在整个负载范围(包括轻载)下都是以zvs (zero voltage switching, 零电压开关)条件工作，从而实现高效率; 　b) 工作频率变化范围比较窄，便于高频变压器和输入滤波器的设计; 　c)初级端所用开关的电压应力被钳位在输入电压上，而次级端两个二极管上的电压始终等于中心抽头变压器输出电压的两倍。

在众多谐振转换器中，LLC 谐振转换器有着高功率密度应用中最常用的拓扑结构。之前我们介绍过采用NCP4390的半桥LLC 谐振转换器的设计注意事项，其中包括有关LLC 谐振转换器工作原理的说明、变压器和谐振网络的设计，以及元件的选择。今天我们将介绍设计程序的前9个步骤并配有设计示例来加以说明，帮助您完成LLC谐振转换器的设计。

LLC谐振变换器作为谐振开关技术的重要拓扑之一，具有高效率，调压特性好，宽负载变化范围内工作特性优良等特点，应用场景广阔。本篇文章对LLC变换器的常见拓扑结构、调制方式以及工作模态进行讲解。

一、拓扑构成

LLC谐振变换器电路拓扑主要包含开关电路、谐振电路以及整流电路三个部分。LLC谐振变换器的拓扑结构多样，下面是两种常见的电路结构。以全桥LLC变换器为例，开关电路为由开关器件S1~S4构成的全桥逆变电路;谐振电路包含谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm，并与变压器原边连接;变压器副边为由二极管D1、D2构成的全波不控整流电路，与输出电容Cf连接后接入负载。

二、调制方式

LLC谐振变换器常用的调制方式有脉冲频率调制(PFM)、移相调制(PSM)以及脉冲宽度调制(PWM)。由于LLC变换器的谐振特性，脉冲频率调制(PFM)方式最为常用。此外为了提升变换器的工作性能，一些混合控制方式被陆续提出。各种常用调制方式的电压增益范围、控制参数以及调制特点如下。

三、工作原理分析

本篇以常用的PFM调制模式为例，对全桥LLC变换电路进行工作模态分析。LLC串联谐振电路包含两个谐振频率，一个是由谐振电感Lr、谐振电容Cr与励磁电感Lm谐振产生的第一谐振频率fm，另一个是由谐振电感Lr与谐振电容Cr产生的第二谐振频率fr，两者表达式如下：

两个谐振频率将变换器的工作区间分为三段：fsfr。当fs

常用变换器的工作模式分为：欠谐振模式(fmfr)。

下面以欠谐振模式为例进行电路工作模态分析。

3.1 工作模态1(t0~t1)：

在t0时刻，S1、S4开始导通，此时开关器件两端的二极管处于续流导通状态，因此S1、S4为零电压导通。

该模态下Lr、Cr发生谐振，谐振腔为感性，谐振电流Ir相位滞后于电压，电流为负并迅速减小。副边二极管D1导通，Lm两端电压被钳位，励磁电流线性减小。负载端能量由励磁电感Lm提供。

3.2 工作模态2(t1~t2)：

S1、S4继续保持导通状态，谐振电流Ir变为正方向，S1、S4内部开始流过电流。

此模态下，二极管D1保持导通，Lm两端电压仍被钳位，励磁电流缓慢上升并保持负方向， 负载端能量由母线及励磁电感共同提供，该模态下电路中由Lr、Cr发生谐振。

3.3 工作模态3(t2~t3)：

励磁电感继续保持被副端钳位的状态，谐振腔由Lr、Cr组成。

励磁电流ILm变为正方向，与谐振电流Ir同方向，此时母线同时向励磁电感与负载提供能量。由于谐振作用，在该模态结束时，谐振电流迅速减小至与励磁电流相等。

3.4 工作模态4(t3~t4)：

此模态内谐振电流Ir和励磁电流ILm保持相等。

变压器原端电流下降为0，不再向负端进行能量传递，副边二极管D1电流降为零关断，输出电压由输出电容提供。副端电压对励磁电感的钳位作用消失，谐振腔由Lr、Cr和Lm组成。由于Lm>>Lr，可以近似为此时的谐振电流不变。

3.5工作模态5(t4~t5)：

t4~t5为死区时间，四个开关器件全部关断。

在谐振电流的作用下，电源给S1、S4的寄生电容充电，给S2、S3的寄生电容放电，结束后S1、S4并联二极管续流，为其后续零电压开通提供条件。

此时整二极管D2开始导通，励磁电感被副端电压钳位，退出谐振腔。此时负载能量由励磁电感提供。

t5时刻后，S2、S3零点压开通，后半周期工作过程与前半周期类似，这里就不做详细讲解。

准谐振模式(fs=fr)

过谐振模式(fsfr)

四、常见问答

1)为什么中小功率电源LLC网络要在感性区域工作?

LLC网络存在感性、容性和纯阻性三种状态。工作在纯阻性区域时网络具有最高的品质因素和最佳的网络特性;工作在容性区域，网络实现零电流切换(ZCS)关断，适合使用IGBT;工作在感性区域，网络容易实现零电压切换(ZVS)开通，比较适合使用MOSFET。由于中小功率电源普遍使用MOSFET，因此常规的LLC拓扑开关电源选择在感性区域工作。

2)ZVS1和ZVS2各有什么优缺点，如何选择?

LLC网络的增益曲线下图所示。ZVS1区不能实现次级整流管的零电流切换(ZCS)关断，存在反向恢复问题;而在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断，不存在反向恢复问题。从理论上讲，工作在ZVS2区域的效率高于ZVS1区域，同时也要考虑短路性能等问题，建议选择略大于谐振点的工作点。

3)LLC初级MOSFET是ZVS关断还是ZCS关断?

LLC工作在感性区域时MOSFET可以实现ZVS开通，但器件关断既不是ZVS也不是ZCS，是一个硬关断过程，关断损耗不可避免。对于MOSFET而言，开通损耗相对关断损耗大很多。因此LLC变换器是通过减少开通损耗以达到电路效率的提升。

4)满足ZVS的两个必要条件是什么?

首先，LLC电路在其整个负载范围内都必须处于感性区域，这是最基本的条件。

其次，还有一个常常被忽视的条件。为了实现开关管的ZVS，励磁电感的峰值电流须在死区时间内完成导通开关管的结电容放电，以及关断开关管结电容充电。

从上式得出的最大励磁电感Lm可以确保开关管实现ZVS，但较小的Lm将增加MOSFET的开关损耗。通过使用被动负载Lm，可以确保在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。

LLC谐振变换器由于工作效率高、工作电压范围宽，在汽车制造，光电、通信以及新能源发电等领域中均有应用。本篇对LLC谐振变换器的电路结构、控制方式以及常见的全桥LLC变换器的工作原理进行讲解，接下来我们将对LLC谐振变换器拓扑进行建模仿真，并分析其控制策略。