LLC变换器工作状态分析

LLC变换器工作状态分析

简介

LLC转换器电路，是在传统LC谐振电路的基础上在变压器增加励磁电感方式，增加了励磁电流，可以实现零电压开关(Zero Voltage Switch))和零电流开关(Zero Current Switch)。由于实现了ZVS和ZCS，所以减少了电路的开关损耗，电路效率能达到95%以上。由于其损耗少，发热小，就能将体积进一步减少，使产品做得更精致。

LLC变换器电路

上图为最简单的半桥LLC变换器电路，其有两个谐振频率，fr1和fr2。当我们的开关频率大于fr2，电路工作在感性区域，可以实现ZVS。当我们的开关频率大于fr2且小于fr1时，电路副边可以实现ZCS。副边电路有两种方式：全波整流和全桥整流，其区别在于变压器有中间插头。

LLC电路共振状态分析

即fr1等于开关频率，其有六个工作状态。

状态一

如图所示Q1关断，Q2导通。电流由Cr，Ls，Lp三者产生。由于Q2导通，所以电流来自与电容的储能，又由于电感的作用，电流被抑制而缓慢增大。

而此时Lp会呈现感抗特性，与并联的变压器（等效电阻）形成分流效果。上图中第一个黄色部分ILs>ILp(反向电流),说明电流有通过变压器，传递到副边，因此副边有电流。

当电容电压减弱，Ls会起续流作用，抑制电流缓慢减少。当电流ILs=ILp，则励磁电感Lp相当于一根导线，所有电流都从励磁电感走，所以此时副边就没有电流流过，为副边ZCS提供条件。从上图第一个黄色部分可以看出副边二极管D2的电流是先增后减到0。

状态二

如图所示Q1，Q2同时关断。此时电流主要来自于电感的续流作用。所以副边没有电流流过。此时刚刚关断是Q2两端的电压约为0，Q1两端的电压约为Vin。所以电流会从高电压流向低电压，所以电流会对与LLC并联的Q2两端的寄生电容充电，造成电位抬高，使得Q1的寄生电容放电。

当Q2的寄生电容充电到Vin以及Q1的寄生电容放电到0，此时就对Q1的ZVS创造了条件。

状态三

此状态Q1导通，Q2截止。从曲线图第二个黄色区域可以看出，Ls电流依然有电流流过，此状态就是等待电感电流将为0，同时电路会有向电源反向输出。此励磁电流ILP>ILs，所以此时会有部分电流流过变压器，使副边产生电流且不段增大。当Ls端电流为零时，电容电压加励磁电感电压约为Vin，从曲线图中可以看出电容电压值并没有下降为0。也就是说从状态一到状态三都是电容放电的过程。

状态四

此状态下依然是Q1导通，Q2关闭。由于Lp两端电压电流继续下降，则Cr电压+Lp电压小于Vin，电源开始对电容Cr充电。电感Ls电流开始缓慢增加（正向），Lp电流继续减少（反向），由负变正不断增加。此时ILs分流到励磁电感和变压器上。当ILp=ILs时，流过变压器的电流为0，则副边电流为0，为ZCS提供条件。

状态五

此状态为Q1，Q2同时关闭。由于电感续流作用，继续给电容充电，为了Q2二极管可以直接导通，使Q2两端的电压降为大约0V，需要对Q2电容放电，从而使Q1电容充电。这个过程中Cr电压小于Ls电压加Lp电压。在Q2两端电压降为0时结束。为Q2的ZVS提供条件。

状态六

此状态Q1截止，Q2导通。电感依然起续流作用对电容充电。但是电感电压电流会持续下降。当电感Ls电流降到0结束。此时电容Cr-电感Lp电压=Vin。并且电感Lp电流会有部分流经变压器，使副边有电流且不断增大。至此，电容充电过程结束，状态三到状态六都是电容充电过程。

LLC电路过谐振状态分析

从图中可以看出过谐振状态有两点不同，第一个就是Ls的电流，由于开关管的提前关闭，导致Ls的电流被Lp所限制，被快速下拉与Lp电流持平。第二个就是副边由于开关管的突然关闭，导致副边电压突然降低，此时变压器电流还未降为0。导致不能实现ZCS。

LLC电路欠谐振状态分析

可以从图中看出欠谐振状态，有多处不同。

1.电容电压变化范围变大，并且可能出现负值电压的情况。

2.当ILs=ILp时，由于开关管延迟关断，导致产生一段非线性的电流增长过程。因为副边依然有电压，所以有原边电流的变化。

3.副边会产生一段没有电流的时间，这可以成功实现副边二极管的ZCS。

总结

因为可以同时实现ZVS和ZCS，我们尽量使电路工作在欠谐振状态。又由于在准谐振状态下，其工作效率是最高的，所以我们尽量使最大工作时间集中在准谐振状态附近。欠谐振状态，增益大于0。过谐振状态增益小于0。所以具体电路设计需要相互取舍，找到最好的工作区间。