【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CS軟關(guān)斷，損耗較小，提高變換器效率。第二章 LLC串聯(lián)諧振變換器工作原理 LLC 諧振變換器是在傳統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián) LLC 諧振變換器的基礎(chǔ)上改良產(chǎn)生的，它既吸收了串聯(lián)諧振變換器諧振電容所起到的隔直作用和諧振槽路電流隨負(fù)載輕重而變化，輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又兼具了并聯(lián)諧振變換器可以工作在空載條件下，對(duì)濾波電容的電流脈動(dòng)要求小的特點(diǎn)，是一種比較理想的諧振變換器拓?fù)?。但由于它在傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)諧振元件，電路特性變得更為復(fù)雜。為了能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足各種不同技術(shù)參數(shù)需要的 LLC 諧振變換器，我們首先就要對(duì)其變換器特性進(jìn)行一個(gè)具體的分析。LLC串聯(lián)諧振變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖21所示。電路有以下元件構(gòu)成：構(gòu)成橋臂上下兩功率MOS管Q1amp。Q2，采用占空比（高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率）近似50%，固定死區(qū)時(shí)間的調(diào)頻控制方式進(jìn)行控制。D1amp。D2和C1amp。C2是開(kāi)關(guān)管體內(nèi)二極管和輸出電容；諧振電容為Cs；變壓器結(jié)構(gòu)為輸出零式全波整流結(jié)構(gòu)，匝比為n：1：1（Np：Ns1：Ns2），Lm為并聯(lián)諧振電感，用變壓器的勵(lì)磁電感來(lái)代替；Ls為串聯(lián)諧振電感，用變壓器漏感來(lái)代替；D3amp。D4為輸出整流二極管；輸出電容C0和負(fù)載R0。圖21 LLC串聯(lián)諧振變換器主電路在串聯(lián)諧振變換器中，勵(lì)磁電感Lm被認(rèn)為是無(wú)窮大的，它是不參與諧振的；Ls和Cs構(gòu)成諧振回路。開(kāi)關(guān)頻率大于LsCs的串聯(lián)諧振頻率，原邊開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS(O電壓開(kāi)關(guān)）。而LLC諧振變換器中并聯(lián)諧振電感與串聯(lián)諧振電感屬于同數(shù)量級(jí)別，勵(lì)磁電感參與諧振，變換器工作頻率可以低于LsCs的串聯(lián)諧振頻率，但一定要大于LsLmCs的串并聯(lián)諧振頻率。在LLC串聯(lián)諧振變換器中勵(lì)磁電感Lm的作用將在下面詳細(xì)介紹。為了討論方便，Cs和Ls的串聯(lián)諧振頻率定義為fs；Cs、Ls和Lm的串并聯(lián)諧振頻率定義為fm。 與此相對(duì)應(yīng)的角頻率為 因此，LLC串聯(lián)諧振變換器與串聯(lián)諧振變換器相比，它不僅可以工作在ffs（Buck）和f=fs的頻率區(qū)間內(nèi)，而且它可以工作在fmffs（Boost）的頻率區(qū)間之內(nèi)。fs區(qū)間(Buck)主要工作波形和工作模態(tài)圖22工作在ffs區(qū)間（Buck）主要工作波形LLC串聯(lián)諧振變換器在ffs時(shí)工作波形如圖22所示，可以把它分為8個(gè)工作模態(tài)，每一個(gè)工作模態(tài)等效電路如圖23所示。假設(shè)輸出電容無(wú)窮大，故認(rèn)為輸出電壓V0保持不變。M1：在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷，諧振輸入電流給開(kāi)關(guān)管輸出電容C1充電、C2放電，一直到t1時(shí)刻C2上電壓降為零，這就給Q2的ZVS創(chuàng)造了條件。此時(shí)勵(lì)磁電流繼續(xù)線(xiàn)性上升，勵(lì)磁電感上電壓被鉗位在nV0，不參與諧振，只有諧振電感Ls和諧振電容Cs一起諧振。M2：在t1時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q2體內(nèi)二極管D2導(dǎo)通續(xù)流，進(jìn)一步為Q2的ZVS開(kāi)通提供條件，此時(shí)能量繼續(xù)傳輸給副邊。直到t2時(shí)刻勵(lì)磁電流和諧振輸入電流相等，整流二極管D3關(guān)斷。在此過(guò)程勵(lì)磁電感仍然被鉗位在nV0，不參與諧振。但從過(guò)程來(lái)看，諧振輸入電流是以高di/dt的速率下降。M3：從t2時(shí)刻起，諧振輸入電流繼續(xù)減小到小于勵(lì)磁電流時(shí)，整流二極管D4導(dǎo)通。正是由于D4導(dǎo)通，所以變壓器勵(lì)磁電感上電壓反向被鉗位在nV0，這樣勵(lì)磁電流線(xiàn)性減小。在t3時(shí)刻，D2續(xù)流導(dǎo)通結(jié)束。M4：從t3時(shí)刻起，諧振輸入電流反方向從零增大，Q2為ZVS開(kāi)通，能量繼續(xù)傳輸給副邊。在t4時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷。M5：在t4時(shí)刻，由于Q2關(guān)斷，諧振輸入電流給C1放電、C2充電，此過(guò)程一直維持到t5時(shí)刻C2電壓升到零為止，為Q1的ZVS開(kāi)通創(chuàng)造條件。M6：在t5時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1體內(nèi)二極管D1開(kāi)始續(xù)流，進(jìn)一步為Q1的ZVS開(kāi)通提供條件，此時(shí)能量繼續(xù)傳輸給副邊。直到t6時(shí)刻勵(lì)磁電流和諧振輸入電流相等，D4關(guān)斷。同M2過(guò)程一樣，諧振輸入電流都是以高di/dt的速率變化。M7：從t6時(shí)刻起，諧振輸入電流繼續(xù)增大到大于勵(lì)磁電流時(shí)，整流二極管D3導(dǎo)通。由于D3導(dǎo)通，所以變壓器勵(lì)磁電感上電壓反向被鉗位在nV0，這樣勵(lì)磁電流逐漸增大。直到t7時(shí)刻，諧振輸入電流過(guò)零，D1關(guān)斷。M8：在t7時(shí)刻，諧振輸入電流諧振過(guò)零變?yōu)檎?，開(kāi)關(guān)管Q1為ZVS開(kāi)通。能量繼續(xù)通過(guò)D3傳輸給負(fù)載。在t8時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷。從t8時(shí)刻開(kāi)始，電路進(jìn)入下一個(gè)周期。 M1：t0~t1 M2：t1~t2 M3：t2~t3 M4：t3~t4 M5：t4~t5 M6：t5~t6 M7：t6~t7 M8：t7~t8圖23工作在Buck區(qū)間（ffs）工作模態(tài)在此運(yùn)行工作區(qū)間，由于開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)諧振輸入電流較大，能夠保證MOS管實(shí)現(xiàn)ZVS。然而，原邊關(guān)斷電流較大會(huì)產(chǎn)生較大關(guān)斷損耗。此外，副邊整流二極管電流同原邊諧振輸入電流類(lèi)似，同樣以較高di/dt速率關(guān)斷，如圖22工作模態(tài)中M2和M6，這樣整流二極管上就會(huì)產(chǎn)生一定電壓尖峰，給電路穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定的不可靠性。此時(shí)輸出整流二極管是硬關(guān)斷，存在嚴(yán)重反向恢復(fù)問(wèn)題，損耗較大，不利于效率提高。ffs區(qū)間(Boost)主要工作波形和工作模態(tài)圖24工作在fmffs區(qū)間（Boost）主要工作波形在此工作頻率范圍之內(nèi)，LLC串聯(lián)諧振變換器的額定負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工作波形如圖24所示。據(jù)圖24每個(gè)周期內(nèi)可以分為8個(gè)工作模態(tài)，每個(gè)工作模態(tài)的等效電路如圖25所示。電路中，輸出電容C0假設(shè)足夠大，因此輸出電壓V0可以認(rèn)為不變。M1：從t0時(shí)刻起，Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，D3處于自然關(guān)斷狀態(tài)，輸出被變壓器隔離。此時(shí)流入變壓器副邊電流為零，變壓器原副邊沒(méi)有能量交換，輸出對(duì)Lm鉗位消失，勵(lì)磁電感Lm、諧振電感Ls和諧振電容Cs開(kāi)始一起諧振。實(shí)際電路中勵(lì)磁電感Lm遠(yuǎn)大于諧振電感Ls，諧振電容Cs和勵(lì)磁電感Lm、諧振電感Ls構(gòu)成的諧振周期遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期，因此這個(gè)階段可以認(rèn)為勵(lì)磁電流近似不變。諧振電容被恒流充電，電壓線(xiàn)性上升。而輸出僅由輸出電容供電。 M2：在t1時(shí)刻，Q1關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，此時(shí)Lm中電流大于Ls中電流，兩者之差流過(guò)變壓器原邊，D4為ZCS開(kāi)通。諧振輸入電流給C1充電、C2放電，直到t2時(shí)刻C2上電壓為零。此階段中勵(lì)磁電感Lm上電壓被鉗位在nV0，D4導(dǎo)通。此時(shí)只有諧振電感Ls和諧振電容Cs參與諧振。M3：在t2時(shí)刻，Q2體內(nèi)二極管D2續(xù)流導(dǎo)通，為Q2的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。勵(lì)磁電流在鉗位電壓nV0下線(xiàn)性充電，勵(lì)磁電感不參與諧振。直到t3時(shí)刻，諧振輸入電流下降到零，D2續(xù)流導(dǎo)通結(jié)束。 M1：t~t1 M2：t1~t2 M3：t2~t3 M4：t3~t4 M5：t4~t5 M6：t5~t6 M7：t6~t7 M8：t7~t8圖25 工作在fmffs區(qū)間（Boost）工作模態(tài)M4：在t3時(shí)刻，Q2以ZVS方式開(kāi)通，諧振輸入電流反方向流通。此時(shí)只有諧振電容Cs和諧振電感Ls參與諧振，Lm上電壓鉗位在nV0，不參與諧振，僅作為變壓器。在t4時(shí)刻，諧振輸入電流和勵(lì)磁電流相同，此時(shí)D4的電流自然降為零而關(guān)斷，即為軟關(guān)斷。M5：在t4時(shí)刻，由于諧振輸入電流和勵(lì)磁電流相等，D3和D4處于反偏截止?fàn)顟B(tài)，輸出被變壓器隔離，此時(shí)Lm開(kāi)始參與諧振。諧振電流在Q2和諧振腔內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。輸出電容放電，繼續(xù)給輸出供電。直到t5時(shí)刻，Q2關(guān)斷，該狀態(tài)結(jié)束。M6：與狀態(tài)M2類(lèi)似，只不過(guò)此時(shí)諧振電流比勵(lì)磁電流大，兩者之差流過(guò)變壓器，整流二極管D3自然導(dǎo)通。M7：在t6時(shí)刻,Q1體內(nèi)二極管D1導(dǎo)通續(xù)流，為Q2的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。直到t7時(shí)刻，諧振電流上升到零，D1續(xù)流導(dǎo)通結(jié)束。M8：在t7時(shí)刻，Q2以ZVS方式開(kāi)通，諧振電流正方向流通。此時(shí)只有諧振電容Cs和諧振電感Ls參與諧振，Lm的電壓鉗位在nV0，不參與諧振，僅作為變換器。在t8時(shí)刻，諧振電流和勵(lì)磁電流相同，此時(shí)輸出整流二極管D3的電流變?yōu)榱?，即為ZCS軟關(guān)斷。從t8時(shí)刻開(kāi)始，電路進(jìn)入下一個(gè)周期。=fs諧振頻率點(diǎn)的工作波形圖26 工作于f=fs諧振頻率點(diǎn)的工作波形圖26給出f=fs時(shí)LLC串聯(lián)諧振變換器額定負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的工作波形。其實(shí)f=fs是上述一種特殊情況，與上面相比，此時(shí)工作模態(tài)少了M1和M5；另外，此時(shí)諧振電流是一個(gè)純正弦波形，輸出電流是整流二極管D3和D4之和，而且是臨界連續(xù)的。以上所有過(guò)程的分析，均是基于額定負(fù)載運(yùn)行的情況，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，在每個(gè)工作區(qū)域還有幾種不同的工作模式，這里不做出詳細(xì)的敘述。通過(guò)以上分析，我們可以看出：當(dāng)變換器處于Boost區(qū)間時(shí)，LLC串聯(lián)諧振變換器實(shí)現(xiàn)原邊MOS管的ZVS，且流過(guò)整流二極管電流斷續(xù)，輸出整流二極管ZCS軟關(guān)斷，消除因反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；當(dāng)變換器處于Buck區(qū)間時(shí)，LLC串聯(lián)諧振變換器雖能實(shí)現(xiàn)原邊MOS管的ZVS，但是整流二極管電流連續(xù)，整流二極管ZCS特性丟失，在換流時(shí)會(huì)因反向恢復(fù)而產(chǎn)生損耗，而且在整個(gè)周期內(nèi)勵(lì)磁電感Lm在變換器運(yùn)行過(guò)程中始終被方波電壓所鉗位，故一直未參與諧振，所以在此區(qū)間內(nèi)，LLC串聯(lián)諧振變換器特性偏向于普通串聯(lián)諧振變換器。從LLC串聯(lián)諧振變換器工作在Boost工作區(qū)間的工作原理和工作過(guò)程來(lái)看，諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電流滯后于輸入電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)管才可能以ZVS方式開(kāi)通。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)感性，軟開(kāi)關(guān)才可能實(shí)現(xiàn)。諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電流滯后于輸入電壓的頻率區(qū)域稱(chēng)為感性區(qū)域，而諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電流超前于輸入電壓的頻率區(qū)域稱(chēng)之為容性區(qū)域，而諧振區(qū)域的分界線(xiàn)將會(huì)在第三章中做出分析。接下對(duì)變換器工作在容性區(qū)域時(shí)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)作詳細(xì)的分析。 圖27 變換器工作在容性區(qū)域的主要波形回到諧振變換器工作模態(tài)分析來(lái)看，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷、Q2開(kāi)通，假設(shè)當(dāng)變換器處于某一時(shí)刻t0前，此時(shí)Q1處于開(kāi)通狀態(tài)，諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電流從諧振網(wǎng)絡(luò)流出并流回到輸入電壓源，即諧振電流為負(fù)。運(yùn)行狀態(tài)如圖27所示。從上面波形可以看出，在死區(qū)時(shí)間TD內(nèi)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電流通過(guò)MOS管Q1體內(nèi)二極管D1繼續(xù)流通，直到死區(qū)時(shí)間結(jié)束Q2導(dǎo)通為止。從開(kāi)通損耗方面講，Q2應(yīng)該在最小開(kāi)通損耗下開(kāi)通。然而，正是由于死區(qū)時(shí)間內(nèi)D1導(dǎo)通，在t1時(shí)刻加在Q2上電壓等于輸入電壓Vi，以至于在Q2開(kāi)通時(shí)不僅電壓和電流有一部分重疊，而且開(kāi)關(guān)管輸出電容上能量主要消耗在開(kāi)關(guān)管上，即加在導(dǎo)通電阻上。這相當(dāng)于傳統(tǒng)中PWM控制方式下開(kāi)關(guān)管以硬開(kāi)關(guān)方式開(kāi)通的情形，這種情況下會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管?chē)?yán)重過(guò)熱。此外，在t1時(shí)刻，D1的電流和電壓由于Q2的開(kāi)通被迫突降為零，很短時(shí)間內(nèi)承受很高的dv/dt沖擊，這對(duì)開(kāi)關(guān)管來(lái)說(shuō)是很危險(xiǎn)的。 由于MOS管體內(nèi)二極管沒(méi)有很好的反向恢復(fù)特性，因此D1將會(huì)承受很大反向恢復(fù)電流尖峰的沖擊。由于變換器諧振電感中電流不能突變，故尖峰不會(huì)通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)，這樣會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)管造成一定的危害。開(kāi)關(guān)管Q1體內(nèi)二極管D1的電壓和電流在其反向恢復(fù)期間承受極高dv/dt的尖峰，這個(gè)尖峰可能會(huì)超出開(kāi)關(guān)管自身給出的dv/dt速率，從而造成MOS管內(nèi)部寄生的雙極型晶體管過(guò)熱而引起二次擊穿。其次，也會(huì)產(chǎn)生這種情況：由于體內(nèi)二極管在關(guān)斷過(guò)程中存在反向恢復(fù)電流，此電流極有可能注入到MOS管極間電容Cgd，當(dāng)足夠大時(shí)使得本來(lái)處于關(guān)斷狀態(tài)的MOS管柵極低電平提升到開(kāi)啟電壓，開(kāi)關(guān)管會(huì)再次開(kāi)通，從而造成橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管的直通。 這種容性工作狀態(tài)的另一個(gè)缺點(diǎn)就是，電路板本身存在不可避免的寄生電感承受電流的變化而形成的電壓尖峰很大，這樣會(huì)損壞與橋臂相連的IC控制芯片。類(lèi)似地，當(dāng)Q2關(guān)斷Q1開(kāi)通的過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生同樣嚴(yán)重的問(wèn)題。通過(guò)以上的分析，容性工作模式不僅使變換器的損耗變大，而且極有可能危害諧振變換器的正常運(yùn)行。所以為了使變換器具有很好的軟開(kāi)關(guān)特性，變換器必須工作在感性工作模式下。然而，感性負(fù)載只是軟開(kāi)關(guān)特性的必要條件，而非充分條件。以上的分析可知，橋臂中點(diǎn)電壓無(wú)論是從零到輸入電壓的變化還是輸入電壓到零的變化，都需要保證諧振網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流要足夠大。當(dāng)電感中儲(chǔ)存的能量大于橋臂中點(diǎn)等效電容CHB的能量，橋臂中點(diǎn)電壓才會(huì)由輸入電壓降到零使D2得以導(dǎo)通續(xù)流，這樣為Q2的零電壓開(kāi)通創(chuàng)造了條件。類(lèi)似地，當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到CHB從而給CHB充電至輸入電壓直到D1開(kāi)通，這樣Q1的零電壓開(kāi)通創(chuàng)造了條件。然而，上面提到的能量平衡仍然不足以保證所有運(yùn)行狀態(tài)下開(kāi)關(guān)管以ZVS開(kāi)通。變換器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)時(shí)間TD長(zhǎng)短將會(huì)對(duì)變換器軟開(kāi)關(guān)特性產(chǎn)生很大影響。死區(qū)時(shí)間就是為實(shí)現(xiàn)ZVS而保證開(kāi)關(guān)管在一定時(shí)間內(nèi)完成橋臂上下開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的切換。而在死區(qū)時(shí)間內(nèi)變換器工作狀態(tài)實(shí)際上是相當(dāng)復(fù)雜的。 (a) (b) (c) (d)圖28 變換器工作在分界線(xiàn)附近的工作狀況圖28給出的波形反映的是當(dāng)變換器工作在非常接近容性區(qū)域的感性區(qū)域，ZVS特性是很難實(shí)現(xiàn)的。下面主要是關(guān)于Q1關(guān)斷Q2開(kāi)通的過(guò)渡過(guò)程給出分析。（a）是非常接近感性區(qū)域和容性區(qū)域的分界線(xiàn)的波形。在Q1關(guān)斷時(shí)，諧振電流反向后，橋臂中點(diǎn)電壓Va有個(gè)小的變化后恢復(fù)到輸入電壓，此時(shí)Q1寄生二極管D1開(kāi)始導(dǎo)通。而當(dāng)Q2開(kāi)通時(shí)就會(huì)有電容損耗和以及前面提到的由D1反向恢復(fù)引起的相關(guān)問(wèn)題。（b）非常明顯工作在感性區(qū)域，不過(guò)諧振電感電流仍在死區(qū)時(shí)間內(nèi)過(guò)零。橋臂中點(diǎn)電壓Va仍有很大的變化和Q1仍有導(dǎo)通的一段時(shí)間。（c）遠(yuǎn)離分界線(xiàn)的情況。