深度分析LLC谐振变换器电路设计及其工作原理
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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。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
因此，励磁电感峰值电流(Ipk)与死区时间(tdead)应满足：
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。
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