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1、LLC原理与设计2011-09-08硬件部硬件部 要了解LLC，就要先了解软开关。对于普通的拓扑而言，在开关管开关时，MOSFET的D-S间的电压与电流产生交叠，因此产生开关损耗。如图所示 为了减小开关时的交叠，人们提出了零电流开关（ZCS)和零电压开关(ZVS)两种软开关的方法。对于ZCS：使开关管的电流在开通时保持在零，在关断前使电流降到零。对于ZVS:使开关管的电压在开通前降到零，在关断时保持为零。导通过程中，大部分电流从MOSFET中流过，流过Coss的非常小，甚至可以忽略不计，因此Coss的充电速度非常慢，电流VDS上升的速率也非常慢。也可以这样理解：正是因为Coss的存在，在关断的
2、过程中，由于电容电压不能突变，因此VDS的电压一直维持在较低的电压，可以认为是ZVS，即0电压关断，功率损耗很小。同样的，在开通的过程中，由于Coss的存在，电容电压不能突变，因此VDS的电压一直维持在较高的电压，实际的功率损耗很大。因为MOS在开关过程中，开通损耗占很大比例，相反IGBT关断时由于尾拖电流造成的损耗就要比开通过程的损耗大，所以IGBT如果满足ZCS，MOS满足ZVS，损耗就要小得多。最早的软开关技术是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路中消耗掉，从而改善开关管的工作条件。这种方法对变换器的效率没有提高，甚至会使效率降低。目前所研究的软开关技术
3、不再采用有损缓冲电路，这种技术真正减小了开关损耗，而不是损耗的转移，这就是谐振技术。谐振变换器主要由开关网络和谐振槽路组成，它使得流过开关管的电流变为正弦波而不是方波，然后设法使开关管在某一时刻导通，实现零电压或零电流开关。之所以LLC谐振腔要呈感性，是因为需要电压超前电流，一旦呈感性，则谐振腔的电流在上管开通前的流通方向是负的，正是因为这个负电流，才能给上管放电、下管充电，使得上管MOS两端的电压为0，开通前为0了，那么开通时便实现了ZVS。如果呈容性，同理可知上管开通前，谐振腔电流方向为正，下管靠体二极管来续流，上管截止，当开通的时候，下管体二极管由于反向恢复时间的存在，有可能会使母线电压
4、短路，从而炸管。从其本质上看，从其本质上看，LLCLLC电路实际上就是有两个谐振点的串联谐电路实际上就是有两个谐振点的串联谐振电路振电路 对于谐振电路而言，要使其呈现感性状态，必须使外加激励的频率高于谐振频率。因此对于LLC，其最小开关频率不能低于fR2.从开关频率与谐振频率的关系来看，LLC的工作状态分为fs=fR1,fsfR1,fR2fsfR1时的工作情况。当fs=fR1,fsfR1时，励磁电感不参与谐振，其特性就是一个串联谐振的特性。在t0时刻前，Q1关断，Q2导通，谐振电流通过变压器耦合到副边，副边二极管D1关断，D2导通，向负载传递能量。变压器两端的电压被输出箝位，励磁电流线性增大。
5、到t0时刻，下管Q2关断。原边谐振电流向Coss1放电和Coss2充电，使Q1两端电压在死区结束前能降到0。由于fsfR1,此时谐振电流大于励磁电流。因此谐振电流迅速减小到励磁电流。在谐振电流减小到励磁电流前，变压器副边仍有电流流动，变压器原边仍被箝位，副边整流二极管D2上的电流逐渐减小，当谐振电流等于励磁电流的时候，D2的电流减小到0，实现ZCS.图中电流波形之所以会突然被拉下来，是因为上管关断后，励磁电流与谐振电流仍不相等，所以励磁电感两端电压会被钳位在nVo，而此时谐振电容上有电压，谐振电流被“拉”到与励磁电流相等。在t1时刻前，Q1两端的电压为零，励磁电流通过Q1的体二极管流通。此时使
6、Q1开通，Q1便是ZVS。Q1导通后，Ls,Cr开始另一半周的谐振。副边二极管D1导通。在t2时刻，谐振电流反向。直至t3时刻Q1关断，开始另一半周的工作，其工作过程与t0-t3相同。由上面的分析和波形可以看出，当由上面的分析和波形可以看出，当fsfR1fsfR1时，时，LLCLLC原边实现原边实现ZVSZVS，副边实现，副边实现ZCS.ZCS.我们再来看一下当fR2fsfR1时候的情况。当fR2fsfR1时，开关周期长于谐振周期，原边激磁电感将参与工作。这种工作状态，也正是LLC与传统的串联谐振电路的区别所在.在t0时刻，上管Q1导通，下管关断。Ls与Cr谐振，谐振电流反向流过Q1，副边二极
7、管D1导通，向负载提供能量。变压器原边被输出箝位，励磁电流线性增大.在t1时刻，谐振电流反向，正向通过Q1 由于fsfR1,开关周期长于谐振周期。因此到t2时刻，谐振电流与谐振电流相等。副边二极管电流降为0，自然关断。此后，Ls,Cr与原边激磁电感Lp构成谐振，由于谐振频率很低，t2-t3的时间远小于开关周期，因此电流近似为线性变化 在t3时刻，Q1关断。原边电流向Coss2放电，Coss1充电，使下管Q2能实现零电压开通.t4t4时刻，时刻，Q2Q2导通，开始另一半周的工作。其过程与导通，开始另一半周的工作。其过程与t0-t4t0-t4相同相同。由于LLC的工作频率在谐振频率附近,所以我们认
8、为高次谐波的分量被衰减掉了,只有基波在工作,基波的值可以用傅立叶级数得到。Ir1 的平均值是输出电流Io，可得到 LLC的核心思想，是通过f（频率）实现稳压原理。请看下图 LLC的DC特性 K值的取值范围一般为3-8看变量LLC输入阻抗特性最小增益Gmin的求解 从图上我们可以看到，当负载增大时，Q值也增大，Q值曲线左移，Q值曲线与增益曲线相交点的频率是降低的。因此我们可以看到当负载增加的时候，LLC的工作频率是减小的。从物理意义上来讲，当负载阻抗Rac减小的时候，Lr与Cr构成的串联谐振回路上的阻抗也要减小，以维持Rac上得到的分压不变。只有通过降低频率才能使Lr和Cr构成的串联阻抗减小。因此，当负载加重时，LLC的开关频率是减小的；当负载减轻的时候，LLC的开关频率是增大的。谐振槽路各参数值