业界广泛使用的LLC原理与设计

记得十年前，LLC还只是停留在大学的实验室里面。今天，LLC已经作为一种优秀的拓扑被业界所广泛的接受和使用。不得不感慨技术发展的速度。也正说明了LLC是一种非常优秀的拓扑，才能在如此短的时间里得到大家的认可。虽然今天LLC已经被广泛的使用，但工作中发现很多工程师对LLC的原理和设计不是很了解。所以开个帖子跟大家一起讨论下LLC这个拓扑的原理和设计。

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。

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。而谐振变换器又分为全谐振变换器，准谐振变换器，零开关PWM变换器和零转换PWM变换器。全谐振变换器的谐振元件一直谐振工作，而准谐振变换器的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。零开关PWM变换器是在准谐振的基础上加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程。零转换PWM变换器的辅助谐振电路只是在开关管开关时工作一段时间，其它时间则停止工作。

全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。

对于LLC而言，通常让开关管在电流为负时导通。在导通前，电流从开关管的体内二极管流过，开关管D-S之间电压被箝位在0V（忽略二极管压降），此时开通二极管，可以实现零电压开通；在关断前，由于D-S间的电容电压为0v而且不能突变，因此也近似于零电压关断。

从上面的分析可以看出，要实现零电压开关，开关管的电压必须滞后于电流。因此必须使谐振槽路始终工作在感性状态。

对于LLC，其变压器可以等效为激磁电感与理想变压器的并联。当工作在重载的情况下的时候，由漏感，谐振电容和负载构成串联谐振回路。

谐振频率为:

当LLC工作在空载的时候，由漏感，激磁电感和谐振电容构成串联谐振回路。

谐振频率为：

从上面我们可以看到在空载时的谐振频率要低于带载时的谐振频率。从其本质上看，LLC电路实际上就是有两个谐振点的串联谐振电路。

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, fs>fR1,fR2fsfR1三种工作状态。

首先我们来看一下当fs=fR1时的情况，此时LLC工作在完全谐振状态。下面是当fs=fR1时的工作波形。

在t0时刻前。上管Q1关断，下管Q2导通。谐振电流通过Q2流通，变压器向副边传递能量，副边二极管D2导通向负载提供能量。变压器原边被副边电压箝位，激磁电流线性上升。

由于fs=fR1，在t1时刻正好完成半个周期的谐振，谐振电流与激磁电流刚好相等。变压器副边无电流，二极管D2自然关断，实现ZCS。在死区时间t0-t1时段内，激磁电流给Q1,Q2的输出电容Coss1和Coss2充电，当Coss1两端的电压为0V时，Q1的体二极管导通，电流通过体二极管流通，在t1时刻让Q1导通，便可实现Q1的ZVS。

当Q1导通后，谐振电流通过Q1反向流通，谐振电流大于激磁电流，副边二极管D1导通向负载提供能量。

随着谐振电流逐渐增大，到t2时刻，谐振电流为正，顺向流过Q1，直至Q1关断。

t3-t4为死区时间，过程与t0-t1时段相同。随后下管Q2开通，开始另一半周的工作，其过程与Q1导通期间的过程相同。从上面的波形可以看到，当fs=fR1的时候，原边电流波形为正弦波，Q1,Q2都是ZVS,副边二极管D1,D2都是ZCS。

好久没更新了，接下来我们讲一下在fs>fR1时的工作情况。当fs=fR1,fs>fR1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。

到t0时刻，下管Q2关断。原边谐振电流向Coss1和Coss2充电，使Q1两端电压在死区结束前能降到0。由于fs>fR1,此时谐振电流大于励磁电流。因此谐振