【正文】 個(gè)諧振電路中都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是回送至輸入端的能量都會(huì)隨著輸入電壓的增加而增加。 通過簡(jiǎn)單總結(jié)串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振電路的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出這三種諧振電路在實(shí)現(xiàn)軟揩干的同時(shí)都必須犧牲其它方面的性能，因此都不是理想的軟開關(guān)電路。事實(shí)上， LLC 半橋諧振電路克服了串聯(lián)諧振電路輕載輸出調(diào)整差的缺點(diǎn)，即使在沒有任何負(fù)載的情況下也可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這對(duì) DC/DC 電路的效率提高做出很大貢獻(xiàn)。 基本電路 LLC 半橋諧振電路中，根據(jù)這個(gè)諧振電容的不同聯(lián)結(jié)方式，典型 LLC 諧振電 路有兩種連接方式，如下圖 1所示。 圖 21 典型電路 Tipical Circuit LLC 半橋諧振電路基本原理 LLC 諧振變換的直流特性分為零電壓工作區(qū)和零電流工作區(qū)。一個(gè) 是 Lr 和 Cr的諧振點(diǎn)，另外一個(gè)諧振點(diǎn)由 Lm, Cr 以及負(fù)載條件決定 。這兩個(gè)諧振點(diǎn)的計(jì)算公式如下： rrr1 CL2π1f ? rrmr2 )CL(L2π1f ?? 公式 21 考慮到盡可能提高效率，設(shè)計(jì)電路時(shí)需把工作頻率設(shè)定在 fr1 附近。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，可以通過降低工作頻率獲得較大的增益。 總體來說 LLC 半橋諧振電路的開關(guān)動(dòng)作和半橋電路無異，但是由于諧振腔的加入，LLC 半橋諧振電路中的上下 MOSFET 工作情況大不一樣，它能實(shí)現(xiàn) MOSFET 零電壓開通。波形圖根據(jù)不同工作狀態(tài)被分成 6個(gè)階段，下面具體分析各個(gè)狀態(tài)， LLC 諧振電路工作情況： ? T0~ T1: Q1 關(guān)斷、 Q2 開通；這個(gè)時(shí)候諧振電感上的電流為負(fù)，方向流向 Q2。這個(gè)階段隨著 Q2關(guān)斷而結(jié)束。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 LLC 半橋諧振電路原理 ~ 8 ~ 圖 23 T0~T1 工作階段 Operation at T0~T1 ? T1~ T2:Q1 關(guān)斷、 Q2 關(guān)斷；此時(shí)為半橋電路死區(qū)時(shí)間，諧振電感上的電流仍為負(fù)，諧振電流對(duì) Q1 的輸出電容（ Coss）進(jìn)行放電，并且對(duì) Q2 的輸出電容（ Coss）進(jìn)行充電，直到 Q2 的輸出電容的電壓等于輸入電壓（ Vin），為 Q1 下次導(dǎo)統(tǒng)創(chuàng)造零電壓開通的條件。輸出電壓比變壓器二次側(cè)電壓高， D D2 處于反偏狀態(tài)，所以輸出端與變壓器脫離。隨著 Q1 開通 ， T1~ T2 階段結(jié)束。 圖 24 T1~T2 工作階段 Operation at T1~T2 ? T2~ T3: Q1 開通、 Q2 關(guān)斷（一旦 Q1的輸出電容被放電放到零時(shí)）。同時(shí)，輸出整流二級(jí)管 (D1)導(dǎo)通，為輸出端提供能量。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 LLC 半橋諧振電路原理 ~ 9 ~ 只有 Lr 和 Cr 參與諧振。下圖 5 為 LLC 半橋諧振電路在 T2~ T3 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。諧振電感電流開始從輸入端經(jīng) Q1 流向地。輸出端仍由 D1 來傳輸能量。下圖 26 為 LLC 半橋諧振電路在 T3~ T4 工作階段各個(gè) 元器件工作狀態(tài)。此時(shí)，諧振電感電流對(duì)Q1 的輸出電容 Coss 進(jìn)行充電，并對(duì) Q2的輸出電容 Coss 進(jìn)行放電直到 Q2上輸出電容電壓為零，導(dǎo)通 Q2 的體二級(jí)管，為 Q2 零電壓開通創(chuàng)造條件。在死去時(shí)間，變壓器漏感 Lm 參與諧振。下圖 7 為 LLC 半橋諧振電路在 T4~ T5 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。由于 T4~ T5 階段中 Q2的輸出電容已經(jīng)被放電至零，因此 T5~ T6 階段 Q2以零電壓開通。此時(shí)， Lm 不參與 Lr 和 Cr的諧振。下圖 8為 LLC 半橋諧振電路在 T5~ T6 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。這種情況下，變壓器漏電感由于被輸出電壓所鉗位，因此，它會(huì)作為 Lr,Cr 串聯(lián)諧振腔的負(fù)載形式存在，而不參與整個(gè)諧振過程。而且，由于這個(gè)被動(dòng) Lm 負(fù)載，可以保證在任何負(fù)載情況下都能工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)下。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模 ~ 12 ~ 第三章 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化 對(duì)于 LLC 諧振電路，首先要了解軟開關(guān)。為了減小開關(guān)時(shí)的交疊，人們提出了零電流開關(guān)（ ZCS)和零電壓開關(guān) (ZVS)兩種軟開關(guān)的方法。對(duì)于 ZVS:使開關(guān)管的電壓在開通前降到零在關(guān)斷時(shí)保持為零。從能量的角度來看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開關(guān)管的工作條件。目前所研究的軟開關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，這種技術(shù)真正減小了開關(guān)損耗，而不是損耗的轉(zhuǎn)移，這就是諧振技術(shù)。全諧振變換器的諧振元件一直諧振工作，而準(zhǔn)諧振變換器的諧振元件只參與能量變換的 某一個(gè)階段，不是全程參與。零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器的輔助諧振電路只是在開關(guān)管開關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，其它時(shí)間則停止工作。 雖然理論上， LLC 半橋諧振電路可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開通，但是還是要考慮諧振電路工作情況，比如增益、諧振頻率。為了更好的分析 MOSFET ZVS 條件與 LLC 諧振電路工作區(qū)域的關(guān)系，首先需要分析諧振電路輸入阻抗，因此對(duì) LLC 半橋諧振電路進(jìn)行以下簡(jiǎn)化： 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模 ~ 13 ~ 圖 31 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化電路 Simplified circuit of LLC half bridge resonant circuit LLC 半橋諧振等效電路輸出輸入傳遞函數(shù)如下： o2mo2mmro2mo2mZnjwLZnjwLjwLjwC1ZnjwLZnjwLV i n / 2nVo????? 公式 31 其中：rrr1 CL2π1f ? ； 第一諧振頻率（兩個(gè)諧振頻率中頻率較高者） rrmr2 )CL(L2π1f ?? ； 第二諧振頻率（兩個(gè)諧振頻率中頻率較低者） mrLLλ? ； 諧振電感與變壓器漏感之比，簡(jiǎn)稱“電感比” r1swn fff ? ； 開關(guān)頻率與第一諧振頻率之比，簡(jiǎn)稱“頻率比” 2out2outoVn PZQ? ； 品質(zhì)因數(shù) rrrrrro Cf2 π 1Lf2 πCLZ ??????? ； 輸出特征阻抗 sPNNn? ； 初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)變壓器匝數(shù)比，簡(jiǎn)稱“匝數(shù)比” 等效 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模 ~ 14 ~ 由上述公式 1左邊部分進(jìn)行變化，可以得出兩倍匝數(shù)比與輸出電壓的乘積對(duì)輸入電壓關(guān)于頻率比、電感比和品質(zhì)因數(shù)的傳遞函數(shù)為： Vin2nVoQ)λ ,M(f n ? 公式 32 將r1swn fff ? ；mrLLλ? ； 2out2outoVn PZQ? 代入公式 31 并進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得出： 2nn222nnf1fQfλλ11Q)λ ,M (f???????? ?????????? ??? 公式 33 LLC 半橋諧振電路的直流特性顯示，如果工作在在 fr1 的右端，它的特點(diǎn)與串聯(lián)諧振相同，而工作在 fr1 的左邊，根據(jù)負(fù)載情況，類似于并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，可以讓系統(tǒng)工作在串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)以獲得高的 效率。根據(jù)上面的討論， LLC 諧振變換的直流特性可以根據(jù)不同的工作模式分為三個(gè)工作區(qū) ,如下圖所示：容性工作區(qū)；感性工作區(qū)（為期望設(shè)計(jì)的工作區(qū)）和邊界工作區(qū)。這里需要指出的時(shí)，電路應(yīng)盡量避免工作在容性區(qū)域（ fsw 接近 fr2），因?yàn)殡娐饭ぷ髟谌菪詤^(qū)域會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)定。從上圖 10 中可以看出，負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)在第一諧振頻率點(diǎn) fr1 上可以找到，所有 Q曲線都會(huì)經(jīng)過這個(gè)負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，并且所有 Q 曲線的電壓增益特征函數(shù) M完全相同。 LLC 諧振電路輸出電壓調(diào)整主要通過改變諧振腔輸入方波開關(guān)頻率。基于這兩點(diǎn)，如果 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)附近，那么其輸出電壓可以在較寬負(fù)載變化范圍且相對(duì)較窄的開關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。但是，對(duì)于前級(jí)連接 PFC 的 LLC 諧振電路來說，這個(gè)缺點(diǎn)可以忽略。因此，有前級(jí) PFC 的 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)上。 Mmin 如下： λ1 1VinmaxVo2nM min ???= ?M 公式 36 此時(shí)，可以得到最高開關(guān)頻率比： ?????? ???M m i n11λ111f 公 式 37 同理，可以在輸入直流電壓最 小、負(fù)載最重時(shí)得到最大電壓增益特征函數(shù) Mmax 和最低開關(guān)頻率比： VinminVo2nMmax ? 公式 38 最低開關(guān)頻率比如下公式 37： ?????? ???2M m a x11λ111f 公式 39 同時(shí)，從公式 35 可以看出， Lr、 Lm 將決定 LLC 諧振電路無負(fù)載時(shí)的電壓增益，這是 設(shè)計(jì)當(dāng)中確保電路能否工作在無負(fù)載情況下的關(guān)鍵。下面通過實(shí)際分析 2 種情況來討論如何設(shè)定最低工作頻率。同時(shí)借助 LLC 諧振電路直流特性圖分析其不同工作區(qū)域：容性區(qū)，感性區(qū)，邊界區(qū)和負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 18 ~ 第四 章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 LLC 半橋諧振電路 可以從以下四個(gè)方面考慮優(yōu)化方案：工作頻率設(shè)置， Lr/Lm 之比參數(shù)設(shè)計(jì)，選擇滿足零電壓開通的 MOSFET， PWM 控制器的選擇。由于電路工作區(qū)域是在電壓增益曲線的感性工作區(qū)，由上圖可以看出，電路通過調(diào)整頻率來調(diào)整輸出電壓，提高頻率以響應(yīng)輸出功率降低的需求；或者通過提高輸入直流電壓來實(shí)現(xiàn)電路工作在輕載模式。從上圖 3中也可以看出，輸入直流電壓范圍越寬，其開關(guān)頻率范圍也越寬，如果工作在這種情況下， LLC 諧振電路將很難優(yōu)化，這是 LLC 諧振電路的一個(gè)主要缺點(diǎn)。因?yàn)?LLC 諧振電路的輸入直流電壓此時(shí)為 400VDC 左右，是一個(gè)比較窄的范圍，即使真正的輸入電壓為寬范圍電壓（ 90VAC ~ 264VAC）。上圖 32中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無負(fù)載時(shí)的曲線 λ1 1Q)λ ,M( fM n ???? ； ? ???nf ； 公式 41 結(jié)合上面的討論，利用最小電壓增益特征函數(shù) Mmin 大于 ?M ，可以在輸入直流電壓最高處可以得到 Mmin 和最高開關(guān)頻率比，這樣就有可能使電路工作在無負(fù)載情況下： λ1 1VinmaxVo2nM min ??? = ?M ； ?????? ???Mm in11λ111f 公式 42 同 理，可以在輸入直流電壓最小、負(fù)載最重時(shí)得到最大電壓增益特征函數(shù) Mmax 和最低開關(guān)頻率比： VinminVo2nMmax ?； ?????? ???2Mm ax11λ111f 公式 43 根據(jù)上式可以優(yōu)化 LLC 半橋諧振電路工作頻率的范圍。這時(shí) LLC 半橋諧振電路的工作頻率范圍如下圖 13 左圖中灰色陰影所示；那么電路諧振腔內(nèi)正弦諧振電流波形的周期將發(fā)生變化，其周期縮短為 MOSFET 開關(guān)周期的一半（見下圖 41 右