LLC谐振变换器学习 一_llc谐振变换器工作原理

LLC谐振变换器学习 一

LLC谐振变换器因其能够在宽输入和负载变化下工作而在工业应用中获得很多关注。在传统的PWM转换器中，功率开关以硬开关模式工作，具有高开关损耗和电磁干扰（EMI）。但在LLC谐振变换器中，开关管可以通过零电压开关（ZVS）导通，输出整流二极管也可以通过零电流开关（ZCS）关闭，从而最大限度地减少损耗。因此高频、高功率密度、高效率变换器变得可行。

LLC工作原理

要想理解LLC工作原理，首先要知道什么是谐振。
电感阻抗随频率增加
电容阻抗随频率减少

当电容器与电感器串联连接时，它们的阻抗会被抵消。在低频时，它就像一个电容。在高频率下，它就像一个电感。在频率 为1比根号下LC时，阻抗是0，相当于短路，这是定义电路发生了谐振。

全桥 LLC 谐振变换器拓扑结构如图所示，图中，Q1-Q4为主功率开关管， D1-D4， C1-C4 为开关管的体二极管与寄生电容， T 为主功率变压器， DR1 和 DR2 为输出整流二极管，谐振电感 Lr，谐振电容 Cr 和励磁电感 Lm 组成 LLC 谐振变换器的谐振网络。
由谐振电路的拓扑我们可以看到它有两个电感，相对应的也就会由两个谐振频率。一个是谐振电感Lr 和谐振电容 Cr 的谐振频率 fr，另一个是 Lm 和 Lr， Cr 形成的谐振频率 fm。

根据开关频率 fs与谐振频率 fr的大小关系，该变换器存在三种工作模式

工作模式 1：fs > fr，主要波形如图 所示。在这种模式下，励磁电感Lm一直被输出电压通过变压器箝位在 nVo，不参与谐振工作。因此，此时 Lm可认为是串联谐振变换器的无源负载。从图中可看出，此时副边整流二极管电流连续，副边整流二极管为硬关断，存在反向恢复。

工作模式 2：fs= fr，主要波形如图 所示。与模式 1 相同，Lm的电压始终被输出电压箝位，但是此时副边整流二极管电流临界连续，且自然续流到零，因此可以实现 ZCS。

工作模式 3：fm<fs< fr，主要波形如图所示。与以上两个模式不同的是，当励磁电感电流与谐振电感电流相等后，励磁电感不再被输出电压箝位，而是与 Lr、Cr共同谐振。从图中可以看出，此时副边整流管电流断续，整流二极管可以实现 ZCS。

选取不同的全桥 LLC 谐振变换器开关频率 f，则有三种工作模式，即 f>fr， fm<f<fr， f=fr。
fs > fr：lm一直被钳位，副边二极管存在反向恢复过程。
fs= fr：lm一直被钳位，副边二极管自然过0，不存在反向恢复过程，能够实现 zcs。 lm（励磁电感）被钳位时电路相当于LRC串联谐振电路。
fm<fs< fr：lm会参与到谐振过程，参与谐振过程副边电流为0，能够实现zcs，但是存在开关管导通但不传递能量给副边的过程，会在电路中产生损耗。