【導讀】LLC 諧振變換器因能滿足現(xiàn)代電源設計苛刻的性能要求而成為電力電子領域的熱門話題。 LLC 屬于龐大的諧振變換器拓撲家族系列，而諧振腔是該拓撲系列的基礎特征。諧振腔是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振蕩的電感器和電容器組成的電路。
這種開關模式的 DC/DC 電源變換器允許采用更高的開關頻率 (fSW) 并且降低了開關損耗，因此更適用于高功率和高效率應用。LLC 諧振變換器是具有精密系統(tǒng)（即高端消費電子產品）或更高運行功率要求（即為電動汽車充電）的電源應用理想之選。
LLC 變換器由 4 個模塊組成：電源開關、諧振腔、變壓器和二極管整流器（參見圖 1）。MOSFET 功率開關首先將輸入的直流電壓轉換為高頻方波；隨后方波進入諧振腔，由諧振腔消除方波的諧波并輸出基頻的正弦波；正弦波再通過高頻變壓器傳輸?shù)阶儞Q器的副邊，并根據應用需求對電壓進行升壓或降壓；最后，二極管整流器將正弦波轉換為穩(wěn)定的直流輸出。
圖 1：簡化 LLC 變換器的電路原理圖
LLC 變換器因其諧振特性，即使在非常高的功率下也能保持高效率。該特性同時實現(xiàn)了原邊和副邊的軟開關功能，它降低了開關損耗，從而提高了效率。
另外，LLC 拓撲還能夠節(jié)省電路板空間，因為它不需要輸出電感器。這意味著所有電感器都可以輕松集成到單個磁性結構中，從而節(jié)省面積和成本。當電路的所有電感元件都位于同一個結構中時，其電磁兼容性將得到極大的改善；因為屏蔽單個結構比屏蔽三個結構一定更容易，也更便宜。
電源開關
電源開關可以采用全橋或半橋拓撲實現(xiàn)，每種拓撲都具備自己獨特的輸出波形（參見圖 2）。
圖2: 電源開關拓撲
這兩種拓撲的主要區(qū)別在于：全橋拓撲生成的方波沒有直流偏移，幅度等于輸入電壓 (VIN).；半橋拓撲則產生一個偏移 (VIN / 2)的方波，因此幅度僅為全橋波的一半。
每種拓撲都有其自身的優(yōu)缺點。全橋拓撲需要更多的晶體管，因此實施成本更高。而且，添加的晶體管會導致串聯(lián)電阻(RDS(ON))增加，從而增加傳導損耗；但另一方面，全橋實現(xiàn)可以將必要的變壓器匝數(shù)比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地減少變壓器中的銅損。
半橋拓撲的實施則更具成本效益，而且，它可以將電容器兩端的 RMS 電流降低約 15%；不過，這種拓撲會增加開關損耗。
權衡利弊之后，通常建議在功率低于 1kW 的應用中采用半橋功率開關拓撲，而在更高功率應用中則采用全橋拓撲。
諧振腔
諧振腔由諧振電容器 (CR) 和兩個電感器組成：諧振電感器 (LR)與電容器和變壓器串聯(lián)，勵磁電感器 (LM)則與之并聯(lián)。諧振腔的作用是濾除方波的諧波，將基頻開關頻率的正弦波輸出到變壓器的輸入端。
圖 3：帶原邊參考負載的 LLC 諧振腔示意圖
諧振腔的增益隨頻率和副邊負載而變化（參見圖 4）。設計人員需調整這些參數(shù)，以確保變換器在寬負載范圍內均高效運行。具體方法為，設計諧振腔的增益值，使其在所有負載條件下均超過 1。
圖 4：不同負載條件下的諧振增益響應
LLC 變換器因諧振腔的雙電感器而具有寬工作范圍與高效率。要了解其原理，首先要了解諧振腔采用不同電感器時，在重載和輕載條件下的響應。
當諧振腔僅由諧振電容器和勵磁電感器組成時，圖 5 顯示了諧振腔在不同負載條件下的增益。在輕載下，諧振腔增益有一個明顯的峰值；但重載下的增益不僅沒有峰值，反而有阻尼響應，并且只在非常高的頻率下才達到單位增益。
圖 5：具有并聯(lián)電感器的 LC 諧振腔增益響應和示意圖
當諧振腔僅由串聯(lián)的諧振電容器和諧振電感器 (LR) 組成時，結果則不同。其增益不會超過 1，但當負載最大時，諧振腔達到單位增益的速度要比并聯(lián)電感器快得多。
圖 6：具有串聯(lián)電感器的 LC 諧振腔增益響應和示意圖
如果諧振腔中同時帶兩種電感器，則產生的頻率增益響應可確保變換器充分響應更大的負載范圍；而且，還可以實現(xiàn)對整個負載范圍的穩(wěn)定控制（參見圖 4）。此時的 LLC 諧振腔具有兩個諧振頻率 (fR and fM)，可分別由公式 (1) 和公式 (2) 計算得出。
諧振腔的增益響應取決于三個參數(shù)：負載、歸一化電感和歸一化頻率。
負載通過品質因數(shù) (Q) 來表示，它取決于連接到輸出的負載。但直接采用負載值并不準確，因為在諧振腔輸出和負載之間還有一個變壓器和一個整流器（參見圖 1）。因此，我們必須為負載提供一個主參考值，即 RAC. RAC 和 Q 可以分別用公式 (3) 和公式 (4) 來估算：
歸一化頻率 (fN) 定義為 MOSFET 開關頻率 (fSW) 與諧振腔諧振頻率 (fR)之間的比率。 fN 可以通過公式 (5) 計算：
歸一化電感 (LN)表示諧振電感和勵磁電感之間的關系，用公式 （6）來估算：
有了以上參數(shù)，就可以利用公式 (7) 來計算變換器的增益響應了：
請注意，以上計算均采用一次諧波分析 (FHA) 進行。這種方法之所以適用，是因為我們已假設 LLC 是在諧振頻率 (fR)內運行的。通過應用傅里葉分析，諧振腔的輸入是由多個具有不同幅度和頻率的正弦波組成的方波。由于諧振腔可濾除所有與基頻 fSW頻率不同的正弦波，所以我們可以忽略除基頻正弦波之外的所有波，這可以大大簡化我們的分析。
軟開關
LLC 變換器的另一個常見特性是其軟開關能力。
軟開關功能旨在通過利用電流的自然上升與下降、以及電路內部電壓來降低開關損耗，以確保電子開關在最有效的時刻導通或關斷。如果在電流近似為零時開關，稱為零電流開關 (ZCS)。如果在低電壓下開關，稱為零電壓開關 (ZVS)。LLC 變換器憑借其諧振特性，可以同時實現(xiàn) ZVS 和 ZCS。
圖 7 顯示了 LLC 變換器的四種基本工作模式。模式 1 和模式 3 為標準的 LLC 操作，如前文所述。在模式 1 中，電流從電源輸送到諧振腔和變壓器副邊（Q1 導通，Q2 關斷）。在模式 3 中，存儲在諧振腔中的剩余功率被傳輸?shù)阶儔浩鞯母边叄潆娏鞯牧鲃臃较蚺c模式 1 中相反（Q1 關斷，Q2 導通）。ZVS 在模式 2 和模式 4 中出現(xiàn)，此時兩個開關均關斷；期間，電流流過晶體管的體二極管（例如模式 2 中的 Q2，或模式 4 中的 Q1），這也稱為續(xù)流。
圖 7：LLC 工作模式原理圖
受體二極管的小壓降限制，續(xù)流導致晶體管兩端的電壓 (VDS) 下降，直至接近零值。此時，兩個柵極信號都為低電平，當電路從模式 2 轉換到模式 3 、或模式 4 轉換到模式 1 時，晶體管兩端的電壓接近于零，這最大限度地降低了開關損耗。
圖 8：LLC 工作模式信號
結論
了解 LLC 諧振腔工作原理對設計 LLC變換器至關重要。諧振腔的諧振特性使LLC變換器可以在寬負載和功率范圍內保持高效且穩(wěn)定的運行，因此廣受歡迎。不過，這種諧振也要求設計人員在設計電路參數(shù)時需非常謹慎，因為諧振腔的增益響應受大量參數(shù)的影響，其中包括負載和變換器的工作點（見公式 (7)）。
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來源：MPS芯源系統(tǒng)
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