?LLC諧振變換器通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)顯著降低了開(kāi)關(guān)損耗，提升了電源效率。?LLC諧振變換器利用諧振原理實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)，從而在開(kāi)關(guān)過(guò)程中減少電壓和電流的交疊，降低了導(dǎo)通和關(guān)斷損耗?12。

LLC諧振變換器主要由逆變網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)、變壓器和整流濾波網(wǎng)絡(luò)組成。逆變網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)MOSFET(S1、S2)及其體二極管(D1、D2)和寄生電容(C1、C2)組成。諧振網(wǎng)絡(luò)包括勵(lì)磁電感(Lm)、諧振電感(Lr)和諧振電容(Cr)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)維持輸出電壓的恒定，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)功能?13。

?軟開(kāi)關(guān)特性?：LLC諧振變換器利用諧振電路的特性，在零電壓開(kāi)通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZCS)模式下工作，極大地減少了開(kāi)關(guān)損耗，提高了效率?2。?低導(dǎo)通損耗?：由于開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，導(dǎo)通損耗較低?2。?電磁干擾(EMI)低?：軟開(kāi)關(guān)特性使得開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流變化率(dv/dt和di/dt)較低，從而減少了電磁干擾(EMI)?2。?高功率密度?：高效率和低損耗使得LLC諧振變換器可以設(shè)計(jì)得更加緊湊，適用于高功率密度的應(yīng)用場(chǎng)合?2。寬輸出電壓調(diào)節(jié)范圍?：通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，可以實(shí)現(xiàn)較寬的輸出電壓范圍，適應(yīng)不同的負(fù)載和輸入電壓變化?2。LLC諧振變換器廣泛應(yīng)用于各種需要高效電源轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，特別是在高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

與傳統(tǒng)PWM變換器不同，LLC諧振電路通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)維持輸出電壓的恒定。這一特性使得原邊兩個(gè)主MOS開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開(kāi)通(ZVS)，而副邊整流二極管則能實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷(ZCS)。借助軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，LLC諧振電路能夠有效降低電源的開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)而提升功率變換器的效率和功率密度。

為了深入了解和掌握LLC諧振電路，我們首先需要澄清以下兩個(gè)核心問(wèn)題：LLC電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的原理。在普通的拓?fù)潆娐分?，開(kāi)關(guān)管通常采用硬開(kāi)關(guān)方式，這會(huì)導(dǎo)致在MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，其Vds電壓與電流產(chǎn)生交疊。這種交疊區(qū)域正是MOS管產(chǎn)生導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗的原因。然而，LLC電路則巧妙地利用了諧振原理，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，從而有效地降低了這種損耗。

為了減少開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗，進(jìn)而提升電源的整體效率，我們采用了兩種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。

1零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)

在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之前，其電壓已降低至零，并且在關(guān)斷過(guò)程中始終保持為零狀態(tài)。

2零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)

在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間，其電流被控制在零，并且在關(guān)斷之前逐漸降至零。

三相CLLC諧振變換器憑借其高效率、大容量、低器件應(yīng)力等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。然而，多相結(jié)構(gòu)的磁性元件數(shù)量多、體積大，是制約功率變換器尺寸的主要因素，同時(shí)也極大的增加了變換器的質(zhì)量和成本。隨著寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率顯著提高，這也為印制電路板(PCB)繞組的使用提供了有利條件。此外，由于高頻帶來(lái)的低電感需求也使得基于PCB繞組的平面磁性元件更有利于實(shí)現(xiàn)集成。

由于傳統(tǒng)“方型”六磁柱磁集成變壓器磁心的平面結(jié)構(gòu)使得三相磁路長(zhǎng)度不等，中間B相的磁路最短，兩邊A,C相的磁路最長(zhǎng)，從而導(dǎo)致三相磁阻不對(duì)稱。在相同的激勵(lì)條件下，這會(huì)引起三相電流的不均衡，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)綠色電能變換與電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室程鶴、徐愷、李朋圣、齊乃菊、于東升提出一種適用于三相CLLC諧振變換器的“圓柱型”平面磁心結(jié)構(gòu)，不僅將六個(gè)諧振電感和三個(gè)變壓器件集成在一個(gè)平面磁心上，實(shí)現(xiàn)了磁性元件的高度集成，并且該磁心結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱設(shè)計(jì)，使得各相負(fù)載電流更加均衡，提高了系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

研究人員首先針對(duì)三相CLLC諧振變換器磁性元件體積大，效率低的問(wèn)題，提出了一種適用于三相CLLC諧振變換器的新型的集成磁心結(jié)構(gòu)，然后詳細(xì)分析了提出集成磁件的磁路模型，并通過(guò)有限元仿真對(duì)磁心結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后搭建了一臺(tái)基于SiC器件的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，定制了傳統(tǒng)“方型”集成磁心和本文提出的“圓柱形”集成磁心樣本進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出磁心結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。

在當(dāng)前的全球能源危機(jī)中,重點(diǎn)是提高效率,電子產(chǎn)品面臨著高性能、低耗電的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于這場(chǎng)危機(jī),世界各地的各種政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)或正在考慮提高其各自規(guī)格的眾多產(chǎn)品的效率標(biāo)準(zhǔn)。用傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器很難達(dá)到這些效率規(guī)格。電源設(shè)計(jì)者需要考慮軟開(kāi)關(guān)拓?fù)?以提高效率,并允許更高頻率的操作。

其中之一就是LLC諧振變換器。LLC諧振拓?fù)湓试S零電壓開(kāi)關(guān)的主要開(kāi)關(guān),從而大大降低開(kāi)關(guān)損失和提高效率。LLC諧振變換器可實(shí)現(xiàn)93~96%的效率。本文將描述LLC諧振拓?fù)涞牟僮?并說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)這種高效率。

共振轉(zhuǎn)換器已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。然而,直到現(xiàn)在,隨著控制器變得更加可用,他們才看到越來(lái)越多的接受度,而且絕對(duì)需要提高效率。理解LLC諧振變換器的最好方法也許是首先研究傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器,如圖1所示。

圖1:系列諧振變換器(1)

在圖1中,串聯(lián)諧振變換器顯示為半橋配置。在離線應(yīng)用程序中,VIN通常是大約400V的上游功率因數(shù)校正電路的輸出。共振網(wǎng)絡(luò)由Rr和CR組成。變壓器的主電感被認(rèn)為是大到不影響諧振網(wǎng)絡(luò)。它被稱為系列諧振轉(zhuǎn)換器,因?yàn)樨?fù)載電阻以及整流器和濾波器電路的沖擊,可以通過(guò)變壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)比被反射回原電路。這一行動(dòng)有效地使負(fù)載與共振網(wǎng)絡(luò)相串聯(lián)。諧振網(wǎng)絡(luò)和反射負(fù)載電阻形成一個(gè)分壓器。在一般的串聯(lián)共振電路中,諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗在諧振頻率的最小值。

在普通的拓?fù)潆娐分?，開(kāi)關(guān)管通常采用硬開(kāi)關(guān)方式工作。這意味著在導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，MOS管的Vds電壓與電流會(huì)產(chǎn)生交疊。這個(gè)交疊區(qū)域正是MOS管產(chǎn)生導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗的地方。然而，通過(guò)LLC電路的設(shè)計(jì)，我們可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，從而有效地減小這些損耗。

我們采取了兩種軟開(kāi)關(guān)策略：零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。 零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)：在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之前，其電壓已降低至零，并且在關(guān)斷過(guò)程中始終保持為零狀態(tài)。零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)：在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間，其電流被控制在零，并且在關(guān)斷之前逐漸降為零。