车载充电机OBC电路--LLC谐振设计

LLC含有电感、电容和电阻元件的单口网络，可通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振，优点是通过软开关技术，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。

LLC有哪些特点?

1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。

2. 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。

3. 采用频率控制，上下管的占空比都为50%.

4. 减小次级同步整流MOSFET的电压应力，可以采用更低的电压MOSFET从而减少成本。

5. 无需输出电感，可以进一步降低系统成本。

6. 采用更低电压的同步整流MOSFET, 可以进一步提升效率。空气净化器系统(MOS管实战设计)上

LLC半桥

电路中，可控MOS管Q1和Q2串联，组成半桥。每个MOS管，都内置有方向并联二极管、同时在漏极和源极有一个等效电容(其实高频特性下，MOS管的每个引脚之间都有一个等效电容)。电容Cr和电感Lr、和变压器T1的原边电感Lm构成了一个LLC谐振电路。变压器T1的副边，经过二极管D1和二极管D2，整流后得到为负载供电。电容Cout主要起滤波作用。空气净化器系统(MOS管实战设计)下

LLC全桥

全桥LLC与半桥LLC的区别：

变压器匝数比比半桥增大一倍;反激开关电源变压器设计及调试

Lr、Lm是半桥的4倍，Cr是半桥的1/4—保证Q值不变;

需要隔离驱动;

变压器匝数变多，线径变小;

MOSFET数量由2个变为4个—在低压大电流时，半桥LLC也需要用4个;都用4个MOSFET时，二者损耗相当;

全桥LLC整体电流应力小;

LLC应用

最佳应用：输入高压400V左右，输出50V左右

前级接PFC时，电压较为稳定，多数时间在谐振区附近工作;

MOSFET的Rds适当，驱动难度不大;

电感、变压器便于设计;

二极管可用肖特基二极管;

谐振电容适当。元器件与电磁兼容

磁集成：600W以内

磁芯和变压器骨架难选，但线绕工艺简单;

漏感和励磁电感比例不能精确控制，但影响不大。

高端应用

工频纹波大是一个很突出的问题;

副边同步整流也是一个难点;

工作频率高时增益反转现象。

车载充电机(OBC)产品采用LLC谐振电路，拥有高效率、高功率密度等核心优势。

迪龙新能源专注于车载充电机、车载DC/DC变换器和车载集成一体机的研发、生产与销售，是全球知名的车载电源供应商。

本文就LLC的一些关键问题做了解答，如LLC为何要工作在感性区域，以及LLC分体谐振电容有什么优缺点等。

一、LLC为何要工作在感性区域?

任何一个网络都是呈现感性、容性和纯阻性三种状态，对于LLC网络而言同样存在以上三种状态，根据输入及负载变化由容性阻性感性而变化。

工作在纯阻性区域是我们理想的工作状态，因为阻性网络的品质因素最高，网络特性最好;

工作在容性区域的话电流超前于电压，对于前级开关管而言容易实现ZCS关断，这个区域比较适合IGBT;

工作在感性区域的话电压超前于电流，对于前级开关管而言容易实现ZVS开通，这个区域比较适合MOSFET;

对于中小功率电源而言普遍使用MOSFET，因此常规LLC拓扑开关电源选择工作于感性区域。

二、ZVS1和ZVS2各有什么优缺点，如何选择?

LLC网络存在两个电感一个电容，也就是说存在两个谐振点，一个是Lr和Cr的谐振点，另一个谐振点由Lm，Cr以及负载条件决定。负载加重，谐振频率将会升高。

在整个感性区域都能实现ZVS，在ZVS1区不能实现次级整流管的ZCS关断，存在反向恢复问题;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。

因此对于选择网络工作于ZVS1还是ZVS2区域有不同看法。

从理论上来讲工作于ZVS2区域效率高于ZVS1区，越接近于谐振点的工作点效率越高，同时兼顾短路性能等问题，建议工作点选择略大于谐振点(基于LLC短路问题靠增加频率来提高网络的等效阻抗来保护这一特性)。

三、LLC初级MOSFET是ZVS关断还是ZCS关断?

LLC工作在感性区域，因此开通是ZVS，但关断既不是ZVS也不是ZCS，是硬开关关断，损耗不可避免，但对于MOSFET而言，开通损耗相对关断损耗大很多，对于LLC的ZVS而言是指开通时刻的ZVS，因此可以大大降低开关损耗。

四、为何计算LLC匝比的时候要用母线电压的一半?

我们计算反激或者正激电路时都是使用母线电压来设计匝比，但是LLC为何只使用母线电压的一半来计算匝比呢?

在LLC上管开通的半个周期内母线给LLC网络输入能量，这个能量一部分直接传递给输出，另一部分储存在网络内，在下管开通的半个周期内，依靠谐振电容和谐振电感输出能量。

所以只有上半个周期母线给网络输入了能量，即时间的利用率是一半，等效于输入电压的利用率为1/2。

五、LLC分体谐振电容有什么优缺点?

LLC半桥谐振电路中，根据这个谐振电容的不同联结方式，典型LLC谐振电路有两种连接方式，不同之处在于LLC谐振腔的连接。

左图采用单谐振电容Cr，其输入电流纹波和电流有效值较高，但布线简单，成本相对较低;

右图采用分体谐振电容C1、C2，其输入电流纹波和电流有效值较低，C1和C2上分别只流过一半的有效值电流，且电容量仅为左图单谐振电容的一半。

比较而言，分体谐振优势不大。

六、LLC独立谐振电感和集成谐振电感各有什么优缺点?

先说说集成谐振电感的方式，这种方式是利用变压器初级漏感来做谐振电感的，优点是体积小、成本低，缺点是漏感很难控制，和变压器绕法，初级匝数存在着紧密的联系，因此谐振参数不好调节，性能难做到最优。

独立谐振电感的方式是通过外置一个谐振电感，同时控制主变压器的漏感在很小的范围内，这样做的优点是容易调节谐振电感与励磁电感低比例，优化起来更灵活，容易调节到一个理想状态，缺点是增加了一个谐振电感增加体积，布线难度和成本增加。

因此一般功率较小的电源都更愿意使用集成谐振电感，成本相对较低，性能要求不是很苛刻;功率大的更愿意使用外置谐振电感，性能容易优化。

七、LLC的开关管能否直接并联?

弥勒电容Cgd对于MOSFET而言是寄生于栅极和漏极之间的电容，对于硬开关电路而言，驱动电流对Cgs和Cgd充电，并且开始开通，而在开通过程中，Vds电压下降，所以Cgd开始放电，故此时需较大的驱动电流要对Cgd充电，这会导致驱动电压波形出现一个短暂的平台，所谓的米勒平台。

关断的时候，DS电压急剧上升，DG电容会流过电流对GS电容充电，引起二次导通。

要消除开通时刻的弥勒效应，在开关管即将开通的时刻DS电压为零，即ZVS。

LLC电源的优点包括：

低成本、高可靠性：LLC电路因其设计和制造工艺，能够在保证性能的同时提供较低的成本和较高的可靠性

EMI性能良好：由于其独特的结构和设计，LLC电源具有良好的电磁干扰(EMI)性能。

功率密度高：在开关电路设计中，LLC电路通常与PFC电路结合使用，这样可以减小高压滤波电容的容量，减少元器件用量，并提高功率密度。

高效率：LLC架构的工作频率高，损耗小，使得其在高频和高功率密度设计中表现出色。

体积小：LLC架构的设计使其在相同功率下相比其他技术拥有更小的体积。

适用于多种应用：无论是固定电压输出的场合还是多路输出的大功率快充设备，LLC架构都能找到合适的应用场景。

易于集成：由于其模块化的设计，LLC电源可以方便地进行集成，简化系统设计。

良好的温度稳定性：LLC电源在实际应用中表现出的温度稳定性较好，有助于维持稳定的工作效率。

支持GaN开关元件：随着碳化硅二极管的普及，LLC架构配合GaN开关元件可以有效降低驱动开销，进一步提升效率和工作频率。