[分享] 深入解析LLC谐振变换器电路设计及其工作原理

LLC谐振变换器作为谐振开关技术的重要拓扑之一，具有高效率，调压特性好，宽负载变化范围内工作特性优良等特点，应用场景广阔。本篇文章对LLC变换器的常见拓扑结构、调制方式以及工作模态进行讲解。

LLC谐振变换器电路拓扑主要包含开关电路、谐振电路以及整流电路三个部分。LLC谐振变换器的拓扑结构多样，下面是两种常见的电路结构。以全桥LLC变换器为例，开关电路为由开关器件S₁~S₄构成的全桥逆变电路；谐振电路包含谐振电感L_r、谐振电容C_r以及励磁电感L_m，并与变压器原边连接；变压器副边为由二极管D₁、D₂构成的全波不控整流电路，与输出电容C_f连接后接入负载。

二、调制方式

LLC谐振变换器常用的调制方式有脉冲频率调制（PFM）、移相调制（PSM）以及脉冲宽度调制（PWM）。由于LLC变换器的谐振特性，脉冲频率调制（PFM）方式最为常用。此外为了提升变换器的工作性能，一些混合控制方式被陆续提出。各种常用调制方式的电压增益范围、控制参数以及调制特点如下。

本篇以常用的PFM调制模式为例，对全桥LLC变换电路进行工作模态分析。LLC串联谐振电路包含两个谐振频率，一个是由谐振电感L_r、谐振电容C_r与励磁电感L_m谐振产生的第一谐振频率f_m，另一个是由谐振电感L_r与谐振电容C_r产生的第二谐振频率f_r，两者表达式如下：

两个谐振频率将变换器的工作区间分为三段：f_s<f_m，f_m<f_s<f_r以及f_s>f_r。当f_s<f_m时电路无法实现ZVS，开关损耗较大，变换器一般不会工作在此区域。常用变换器的工作模式分为：欠谐振模式（f_m<f_s<f_r）、准谐振模式（f_s=f_r）以及过谐振模式（f_s>f_r）。

下面以欠谐振模式为例进行电路工作模态分析。

在t₀时刻，S₁、S₄开始导通，此时开关器件两端的二极管处于续流导通状态，因此S₁、S₄为零电压导通。

该模态下L_r、C_r发生谐振，谐振腔为感性，谐振电流I_r相位滞后于电压，电流为负并迅速减小。副边二极管D₁导通，L_m两端电压被钳位，励磁电流线性减小。负载端能量由励磁电感L_m提供。

S₁、S₄继续保持导通状态，谐振电流I_r变为正方向，S₁、S₄内部开始流过电流。

此模态下，二极管D₁保持导通，L_m两端电压仍被钳位，励磁电流缓慢上升并保持负方向， 负载端能量由母线及励磁电感共同提供，该模态下电路中由L_r、C_r发生谐振。

励磁电感继续保持被副端钳位的状态，谐振腔由L_r、C_r组成。

励磁电流I_Lm变为正方向，与谐振电流I_r同方向，此时母线同时向励磁电感与负载提供能量。由于谐振作用，在该模态结束时，谐振电流迅速减小至与励磁电流相等。

此模态内谐振电流I_r和励磁电流I_Lm保持相等。

变压器原端电流下降为0，不再向负端进行能量传递，副边二极管D₁电流降为零关断，输出电压由输出电容提供。副端电压对励磁电感的钳位作用消失，谐振腔由L_r、C_r和L_m组成。由于L_m>>L_r，可以近似为此时的谐振电流不变。

t₄~t₅为死区时间，四个开关器件全部关断。在谐振电流的作用下，电源给S₁、S₄的寄生电容充电，给S₂、S₃的寄生电容放电，结束后S₁、S₄并联二极管续流，为其后续零电压开通提供条件。

此时整流二极管D₂开始导通，励磁电感被副端电压钳位，退出谐振腔。此时负载能量由励磁电感提供。t₅时刻后，S₂、S₃零点压开通，后半周期工作过程与前半周期类似，这里就不做详细讲解。

                  准谐振模式（f_s=f_r）                           过谐振模式（f_s>f_r）

LLC网络存在感性、容性和纯阻性三种状态。工作在纯阻性区域时网络具有最高的品质因素和最佳的网络特性；工作在容性区域，网络实现零电流切换（ZCS）关断，适合使用IGBT；工作在感性区域，网络容易实现零电压切换（ZVS）开通，比较适合使用MOSFET。由于中小功率电源普遍使用MOSFET，因此常规的LLC拓扑开关电源选择在感性区域工作。

LLC网络的增益曲线下图所示。ZVS1区不能实现次级整流管的零电流切换（ZCS）关断，存在反向恢复问题；而在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断，不存在反向恢复问题。从理论上讲，工作在ZVS2区域的效率高于ZVS1区域，同时也要考虑短路性能等问题，建议选择略大于谐振点的工作点。

LLC工作在感性区域时MOSFET可以实现ZVS开通，但器件关断既不是ZVS也不是ZCS，是一个硬关断过程，关断损耗不可避免。对于MOSFET而言，开通损耗相对关断损耗大很多。因此LLC变换器是通过减少开通损耗以达到电路效率的提升。

首先，LLC电路在其整个负载范围内都必须处于感性区域，这是最基本的条件。其次，还有一个常常被忽视的条件。为了实现开关管的ZVS，励磁电感的峰值电流须在死区时间内完成导通开关管的结电容放电，以及关断开关管结电容充电。因此，励磁电感峰值电流(I_pk)与死区时间(t_dead)应满足：

其中，V_in为输入电压，C_j为MOSFET的结电容，t_dead为死区时间。而I_pk与励磁电感关系如下：

其中，V_o为输出电压，T为开关周期，L_m为励磁电感。因此L_m的值应满足以下不等式：

从上式得出的最大励磁电感L_m可以确保开关管实现ZVS，但较小的L_m将增加MOSFET的开关损耗。通过使用被动负载L_m，可以确保在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。

LLC谐振变换器由于工作效率高、工作电压范围宽，在汽车制造，光电、通信以及新能源发电等领域中均有应用。本篇对LLC谐振变换器的电路结构、控制方式以及常见的全桥LLC变换器的工作原理进行讲解，接下来我们将对LLC谐振变换器拓扑进行建模仿真，并分析其控制策略。