llc諧振轉(zhuǎn)換器是led tv的主功率級(jí)拓?fù)渲?，相比其它轉(zhuǎn)換器具有更多優(yōu)勢，但因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)復(fù)雜困難，所以在過去很少受到關(guān)注。不過，這幾年間，ic制造商已開發(fā)出用于 llc 諧振轉(zhuǎn)換器的控制器，而且發(fā)表了許多相關(guān)技術(shù)說明和設(shè)計(jì)工具，讓其設(shè)計(jì)變得更容易，并使得這種技術(shù)獲得更多的關(guān)注。llc諧振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為 led tv最流行的主功率級(jí)拓?fù)?。llc諧振轉(zhuǎn)換器的出色優(yōu)點(diǎn)有： 　a) 在整個(gè)負(fù)載范圍(包括輕載)下都是以zvs (zero voltage switching, 零電壓開關(guān))條件工作，從而實(shí)現(xiàn)高效率; 　b) 工作頻率變化范圍比較窄，便于高頻變壓器和輸入濾波器的設(shè)計(jì); 　c)初級(jí)端所用開關(guān)的電壓應(yīng)力被鉗位在輸入電壓上，而次級(jí)端兩個(gè)二極管上的電壓始終等于中心抽頭變壓器輸出電壓的兩倍。

在眾多諧振轉(zhuǎn)換器中，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器有著高功率密度應(yīng)用中最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。之前我們介紹過采用NCP4390的半橋LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，其中包括有關(guān)LLC 諧振轉(zhuǎn)換器工作原理的說明、變壓器和諧振網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以及元件的選擇。今天我們將介紹設(shè)計(jì)程序的前9個(gè)步驟并配有設(shè)計(jì)示例來加以說明，幫助您完成LLC諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。

LLC諧振變換器作為諧振開關(guān)技術(shù)的重要拓?fù)渲?，具有高效率，調(diào)壓特性好，寬負(fù)載變化范圍內(nèi)工作特性優(yōu)良等特點(diǎn)，應(yīng)用場景廣闊。本篇文章對(duì)LLC變換器的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方式以及工作模態(tài)進(jìn)行講解。

一、拓?fù)錁?gòu)成

LLC諧振變換器電路拓?fù)渲饕_關(guān)電路、諧振電路以及整流電路三個(gè)部分。LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，下面是兩種常見的電路結(jié)構(gòu)。以全橋LLC變換器為例，開關(guān)電路為由開關(guān)器件S1~S4構(gòu)成的全橋逆變電路;諧振電路包含諧振電感Lr、諧振電容Cr以及勵(lì)磁電感Lm，并與變壓器原邊連接;變壓器副邊為由二極管D1、D2構(gòu)成的全波不控整流電路，與輸出電容Cf連接后接入負(fù)載。

二、調(diào)制方式

LLC諧振變換器常用的調(diào)制方式有脈沖頻率調(diào)制(PFM)、移相調(diào)制(PSM)以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于LLC變換器的諧振特性，脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式最為常用。此外為了提升變換器的工作性能，一些混合控制方式被陸續(xù)提出。各種常用調(diào)制方式的電壓增益范圍、控制參數(shù)以及調(diào)制特點(diǎn)如下。

三、工作原理分析

本篇以常用的PFM調(diào)制模式為例，對(duì)全橋LLC變換電路進(jìn)行工作模態(tài)分析。LLC串聯(lián)諧振電路包含兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是由諧振電感Lr、諧振電容Cr與勵(lì)磁電感Lm諧振產(chǎn)生的第一諧振頻率fm，另一個(gè)是由諧振電感Lr與諧振電容Cr產(chǎn)生的第二諧振頻率fr，兩者表達(dá)式如下：

兩個(gè)諧振頻率將變換器的工作區(qū)間分為三段：fsfr。當(dāng)fs

常用變換器的工作模式分為：欠諧振模式(fmfr)。

下面以欠諧振模式為例進(jìn)行電路工作模態(tài)分析。

3.1 工作模態(tài)1(t0~t1)：

在t0時(shí)刻，S1、S4開始導(dǎo)通，此時(shí)開關(guān)器件兩端的二極管處于續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)，因此S1、S4為零電壓導(dǎo)通。

該模態(tài)下Lr、Cr發(fā)生諧振，諧振腔為感性，諧振電流Ir相位滯后于電壓，電流為負(fù)并迅速減小。副邊二極管D1導(dǎo)通，Lm兩端電壓被鉗位，勵(lì)磁電流線性減小。負(fù)載端能量由勵(lì)磁電感Lm提供。

3.2 工作模態(tài)2(t1~t2)：

S1、S4繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，諧振電流Ir變?yōu)檎较?，S1、S4內(nèi)部開始流過電流。

此模態(tài)下，二極管D1保持導(dǎo)通，Lm兩端電壓仍被鉗位，勵(lì)磁電流緩慢上升并保持負(fù)方向， 負(fù)載端能量由母線及勵(lì)磁電感共同提供，該模態(tài)下電路中由Lr、Cr發(fā)生諧振。

3.3 工作模態(tài)3(t2~t3)：

勵(lì)磁電感繼續(xù)保持被副端鉗位的狀態(tài)，諧振腔由Lr、Cr組成。

勵(lì)磁電流ILm變?yōu)檎较颍c諧振電流Ir同方向，此時(shí)母線同時(shí)向勵(lì)磁電感與負(fù)載提供能量。由于諧振作用，在該模態(tài)結(jié)束時(shí)，諧振電流迅速減小至與勵(lì)磁電流相等。

3.4 工作模態(tài)4(t3~t4)：

此模態(tài)內(nèi)諧振電流Ir和勵(lì)磁電流ILm保持相等。

變壓器原端電流下降為0，不再向負(fù)端進(jìn)行能量傳遞，副邊二極管D1電流降為零關(guān)斷，輸出電壓由輸出電容提供。副端電壓對(duì)勵(lì)磁電感的鉗位作用消失，諧振腔由Lr、Cr和Lm組成。由于Lm>>Lr，可以近似為此時(shí)的諧振電流不變。

3.5工作模態(tài)5(t4~t5)：

t4~t5為死區(qū)時(shí)間，四個(gè)開關(guān)器件全部關(guān)斷。

在諧振電流的作用下，電源給S1、S4的寄生電容充電，給S2、S3的寄生電容放電，結(jié)束后S1、S4并聯(lián)二極管續(xù)流，為其后續(xù)零電壓開通提供條件。

此時(shí)整二極管D2開始導(dǎo)通，勵(lì)磁電感被副端電壓鉗位，退出諧振腔。此時(shí)負(fù)載能量由勵(lì)磁電感提供。

t5時(shí)刻后，S2、S3零點(diǎn)壓開通，后半周期工作過程與前半周期類似，這里就不做詳細(xì)講解。

準(zhǔn)諧振模式(fs=fr)

過諧振模式(fsfr)

四、常見問答

1)為什么中小功率電源LLC網(wǎng)絡(luò)要在感性區(qū)域工作?

LLC網(wǎng)絡(luò)存在感性、容性和純阻性三種狀態(tài)。工作在純阻性區(qū)域時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有最高的品質(zhì)因素和最佳的網(wǎng)絡(luò)特性;工作在容性區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)零電流切換(ZCS)關(guān)斷，適合使用IGBT;工作在感性區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)容易實(shí)現(xiàn)零電壓切換(ZVS)開通，比較適合使用MOSFET。由于中小功率電源普遍使用MOSFET，因此常規(guī)的LLC拓?fù)溟_關(guān)電源選擇在感性區(qū)域工作。

2)ZVS1和ZVS2各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇?

LLC網(wǎng)絡(luò)的增益曲線下圖所示。ZVS1區(qū)不能實(shí)現(xiàn)次級(jí)整流管的零電流切換(ZCS)關(guān)斷，存在反向恢復(fù)問題;而在ZVS2區(qū)可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)整流管的ZCS關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)問題。從理論上講，工作在ZVS2區(qū)域的效率高于ZVS1區(qū)域，同時(shí)也要考慮短路性能等問題，建議選擇略大于諧振點(diǎn)的工作點(diǎn)。

3)LLC初級(jí)MOSFET是ZVS關(guān)斷還是ZCS關(guān)斷?

LLC工作在感性區(qū)域時(shí)MOSFET可以實(shí)現(xiàn)ZVS開通，但器件關(guān)斷既不是ZVS也不是ZCS，是一個(gè)硬關(guān)斷過程，關(guān)斷損耗不可避免。對(duì)于MOSFET而言，開通損耗相對(duì)關(guān)斷損耗大很多。因此LLC變換器是通過減少開通損耗以達(dá)到電路效率的提升。

4)滿足ZVS的兩個(gè)必要條件是什么?

首先，LLC電路在其整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都必須處于感性區(qū)域，這是最基本的條件。

其次，還有一個(gè)常常被忽視的條件。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，勵(lì)磁電感的峰值電流須在死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成導(dǎo)通開關(guān)管的結(jié)電容放電，以及關(guān)斷開關(guān)管結(jié)電容充電。

從上式得出的最大勵(lì)磁電感Lm可以確保開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，但較小的Lm將增加MOSFET的開關(guān)損耗。通過使用被動(dòng)負(fù)載Lm，可以確保在任何負(fù)載情況下都能工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)下。

LLC諧振變換器由于工作效率高、工作電壓范圍寬，在汽車制造，光電、通信以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域中均有應(yīng)用。本篇對(duì)LLC諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)、控制方式以及常見的全橋LLC變換器的工作原理進(jìn)行講解，接下來我們將對(duì)LLC諧振變換器拓?fù)溥M(jìn)行建模仿真，并分析其控制策略。