01 摘要

 

zaidangqianquanqiunengyuanweijidexingshixia
，tigaodianzishebeidenengxiao，qudegaoxingnengtongshijiangdinenghao，chengweiyeneixindeguanzhudian。weishunyingzheyiqushi
，shijieshangxuduodianzichangshangxiwangzaichanpinguigezhongtigaonengxiaobiaozhun。zaidianyuanguanlifangmian，yongchuantongdeyingkaiguanzhuanhuanqishihennandadaoxinnengxiaobiaozhun。yinci
，dianyuanshejizheyijiangkaifafangxiangzhuanxiangruankaiguantuopu，yitigaodianyuandenengxiao，shixiangenggaodegongzuopinlv。

 

LLC諧振轉換器就是一種軟開關拓撲，允許主功率開關管零電壓開關
，顯著降低開關損耗
，大幅提高電源能效。在這種拓撲中
，為了實現ZVS開(kai)關(guan)，功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)寄(ji)生(sheng)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)必(bi)須(xu)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)時(shi)間(jian)非(fei)常(chang)短(duan)。如(ru)果(guo)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)不(bu)能(neng)恢(hui)複(fu)全(quan)部(bu)載(zai)流(liu)子(zi)，則(ze)在(zai)負(fu)載(zai)從(cong)低(di)到(dao)高(gao)的(de)變(bian)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)，可(ke)能(neng)會(hui)發(fa)生(sheng)硬(ying)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)，並(bing)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)寄(ji)生(sheng)雙(shuang)極(ji)晶(jing)體(ti)管(guan)導(dao)通(tong)。

 

02 前言

 

在電信設備電源、大型計算機/服務器、電焊機

、鋼(gang)材(cai)切(qie)割(ge)機(ji)等(deng)消(xiao)費(fei)應(ying)用(yong)市(shi)場(chang)上(shang)
，對(dui)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)需(xu)求(qiu)每(mei)年(nian)都(dou)在(zai)增(zeng)長(chang)。要(yao)想(xiang)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，就(jiu)必(bi)須(xu)減(jian)少(shao)元(yuan)件(jian)數(shu)量(liang)，降(jiang)低(di)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)，縮(suo)減(jian)散(san)熱(re)器(qi)和(he)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)。目(mu)前(qian)，硬(ying)開(kai)關(guan)半(ban)橋(qiao)是(shi)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)的(de)典(dian)型(xing)拓(tuo)撲(pu)，而(er)LLC諧振半橋則是新興的替代方案。LLC拓撲確保導通前開關管電壓為零（或者關斷期間開關管電流為零），從而消除每次開關時因電流和電壓交疊而導致的功率損耗。

 

在zai高gao頻pin應ying用yong中zhong采cai用yong這zhe種zhong開kai關guan技ji術shu同tong樣yang可ke以yi降jiang低di開kai關guan損sun耗hao
，從cong而er有you助zhu於yu縮suo減jian無wu源yuan器qi件jian的de尺chi寸cun。顯xian而er易yi見jian
，開kai關guan功gong率lv損sun耗hao降jiang低di為wei在zai應ying用yong設she計ji中zhong選xuan用yong尺chi寸cun更geng小xiao的de散san熱re器qi提ti供gong了le可ke能neng。零ling電dian壓ya條tiao件jian發fa生sheng是shiMOSFET寄生體二極管導通所致。在負載快速變化過程中，MOSFET從零電壓開關切換零電流開關，在這種情況下，高dv/dt值可使寄生雙極晶體管導通並燒毀MOSFET。

 

03 拓撲簡介

 

LLC拓撲的基本半橋電路是由兩個開關管組成
，高邊開關管(Q1)和低邊開關管(Q2)通過電感Lr和電容Cr與變壓器相連（見圖1）。開關管與寄生體二極管（D1和D2）和寄生輸出電容（C1和C2）並聯
，為了闡明它們在全局功能中的作用，我們在圖中把它們單獨標注出來。

 

在圖1中，我們注意到多出一個Lr電感
，實際上，Lr是變壓器漏電感，其規則在LLC拓撲中非常重要。

 

圖1：LLC半橋電路

 

如果變壓器原邊電感Lm值很大，不會影響諧振網絡，則上圖所示的轉換器就是一個串聯諧振轉換器。

 

圖2

 

在一個諧振單元中
，當輸入信號頻率(fi)等於諧振頻率(fr)時 - 即當LC阻抗為零時

，增益最大。諧振轉換器工作頻率範圍是由兩個特定的諧振頻率值界定，這些頻率值與電路有關。驅動控製器設定MOSFET的開關頻率(fs)等於電路諧振頻率，以保證諧振的重要優勢。

 

現在我們將看到，如何通過改變負載，使諧振頻率從最小值(fr2)變為最大值(fr1)：

 

 

如果使用圖形表示諧振單元的增益
，我們就得到圖3所示的曲線

，不難看出
，圖形變化與Q值相關。

 

圖3

 

LLC諧振轉換器的工作範圍受限於峰值增益。值得注意的是，峰值電壓增益既不發生在fr1處
，也不出現在 fr2處。峰值增益對應的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著Q值減小（隨著負載減小），峰值增益頻率移向fr2，並且獲得更高的峰值增益。隨著Q值增加（負載增加）

，峰值增益頻率移向fr1
，峰值增益下降。因此，滿載應該是諧振網絡設計的最差工作條件。

 

從MOSFET角度看，如前所述，MOSFET的軟開關是包括LLC在內的諧振轉換器的重要優點，而對於整個係統
，由於輸出電流是正弦波，因此， EMI幹擾降低。圖4所示是LLC轉換器的典型波形特性。

 

圖4：LLC轉換器的典型波形

 

在圖4中我們注意到，漏極電流Ids1在變正前是在負電流區擺動。負電流值表示體二極管導通。在此階段，由於二極管上的壓降，MOSFET漏源兩極的電壓非常小。如果MOSFET在體二極管導通期間開關，則發生ZVS開關
，開關損耗降低。該特性可以縮減散熱器尺寸，提高係統能效。

 

如果MOSFET開關頻率fs小於fr1
，功率器件上的電流的形狀會改變。事實上
，如果持續時間足以在輸出二極管上產生不連續的電流，則原邊電流形狀會偏離正弦波形。

 

圖5：fs <fr1時的LLC轉換器的典型波形

 

此外，如果MOSFET的寄生輸出電容C1和C2與Cr的容值相當，則諧振頻率fr也會受到器件的影響。正是由於這個原因，在設計過程中


，選擇Cr值大於C1和C2，可以解決這個問題
，使fr值不受所用器件的影響。

 

04 續流和ZVS條件

 

分析一下諧振頻率的方程式就會發現，在高於峰值增益頻率時，諧振網絡的輸入阻抗是感抗
，諧振網絡的輸入電流（Ip）滯後於諧振網絡的輸入電壓（Vd）。在低於峰值增益頻率時，諧振網絡的輸入阻抗變為容抗
，並且Ip領先Vd。在電容區工作時，體二極管在MOSFET開關期間執行反向恢複操作。

 

當係統在電容區工作時，MOSFET會麵臨極大的潛在失效風險。事實上，如圖6中的綠色圓圈所示
，寄生體二極管的反向恢複時間變得非常重要。

 

圖6

 

根據這一點，在負載由低變高的過程中（圖7）
，驅動電路應強製MOSFET進入ZVS和正關斷電流區。如果無法保證
，MOSFET的工作區可能很危險。

 

圖7

 

在低負載穩態條件下
，係統工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然後ZVS導通，並保證正關斷漏極電流。在負載變化（從低到高）後，開關頻率應該變成新的諧振頻率。如果沒有發生這種情況（如圖8中綠線所示）
，則係統狀態經過區域3（ZCS區域）和ZVS導通，正關斷漏極電流不會出現。因此，當MOSFET關斷時，電流也會流過寄生體二極管。

 

在增益圖上分析一下負載從低變高的過程，我們不難發現：

 

圖8

 

黑虛線代表負載變化期間的理想路徑

，而綠虛線表示實際路徑。在負載從低變高的過程中
，可以看到係統經過ZCS區域
，因此，寄生體二極管的性能變得非常重要。出於這個原因，新LLC設計的趨勢是使用體二極管恢複時間非常短的功率器件。