電源LLC諧振電路簡介

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電源LLC諧振電路簡介

一、LLC的英文全稱是Logical Link Control的縮寫，意為：邏輯鏈路控制。

LLC半橋諧振電路的開關動作和半橋電路無異，但是由于諧振腔的加入，LLC半橋諧振電路中的上下MOSFET

工作情況大不一樣，它能實現MOSFET的零電壓開通。其工作波形如圖2所示：

圖中，Vgs1和Vgs2分別是Q1、Q2的驅動波形，Ir為諧振電感Lr電感電流波形，Im為變壓器漏感Lm電流波形，Id1和Id2分別是次級側輸出整流二級管波形，Ids1則為Q1導通電流。
波形圖根據不同工作狀態被分成6個階段，下面具體分析各個狀態，LLC諧振電路工作情況：
1) T0~T1:Q1關斷、Q2開通；這個時候諧振電感上的電流為負，方向流向Q2。在此階段，變壓器漏感不參加諧振，Cr、Lr組成了諧振頻率，輸出能量來自于Cr和Lr。這個階段隨著Q2關斷而結束。下圖1-3為LLC半橋諧振電路在T0~T1工作階段各個元器件工作狀態。
2) T1~T2:Q1關斷、Q2關斷；此時為半橋電路死區時間，諧振電感上的電流仍為負，諧振電流對Q1的輸出電容（Coss）進行放電，并且對Q2的輸出電容（Coss）進行充電，直到Q2的輸出電容的電壓等于輸入電壓（Vin），為Q1下次導統創造零電壓開通的條件。由于Q1體二級管此是出于正向偏置，而Q2的體二級管示反相偏置，兩個電感上的電流相等。輸出電壓比變壓器二次側電壓高，D1、D2處于反偏狀態，所以輸出端與變壓器脫離。此階段,Lm和Lr、Cr一同參加諧振。隨著Q1開通，T1~T2階段結束。下圖1-4為LLC半橋諧振電路在T1~T2工作階段各個元器件工作狀態。
3) T2~T3:Q1開通、Q2關斷（一旦Q1的輸出電容被放電放到零時）。此時諧振電感上的電流仍舊為負，電流經Q1的體二級管流回輸入端（Vin）。同時，輸出整流二級管(D1)導通，為輸出端提供能量。變壓器漏感（Lm）在此階段被持續充電。只有Lr和Cr參與諧振。一旦諧振電感Lr上的電流為零時，T2~T3階段結束。下圖1-5為LLC半橋諧振電路在T2~T3工作階段各個元器件工作狀態。
4) T3~T4:此階段始于諧振電感Lr電流變負為正，Q1開通、Q2關斷，和T2~T3 階段一樣。諧振電感電流開始從輸入端經Q1流向地。變壓器漏感Lm此時被此電流充電，因此參加諧振的器件只有Lr和Cr。輸出端仍由D1來傳輸能量。隨著Q1關斷，T3~T4階段結束。下圖1-6為LLC半橋諧振電路在T3~T4工作階段各個元器件工作狀態。
5) T4~T5:Q1關斷，Q2關斷；此時為半橋電路死區時間。此時，諧振電感電流對Q1的輸出電容Coss進行充電，并對Q2的輸出電容Coss進行放電直到Q2上輸出電容電壓為零，導通Q2的體二級管，為Q2零電壓開通創造條件。在此期間，變壓器二次側跟T1~T2階段一樣，脫離初級側。在死去時間，變壓器漏感Lm參與諧振。此階段隨著Q2開通而結束。下圖1-7為LLC半橋諧振電路在T4~T5工作階段各個元器件工作狀態。
6) T5~T6:Q1關斷，Q2導通。由于T4~T5階段中Q2的輸出電容已經被放電至零，因此T5~T6階段Q2以零電壓開通。能量由諧振電感Lr經Q2續流，輸出端由D2提供能量。此時，Lm不參與Lr和Cr的諧振。此階段隨著諧振電感Lr電流變為零而結束，重復T0~T1狀態。下圖1-8為LLC半橋諧振電路在T5~T6工作階段各個元器件工作狀態。

二、LLC諧振轉換器中的輸出電壓調節

對于采用零電壓開關的諧振轉換器，在設計諧振電路時必須確保電流波形始終滯后于電壓波形。這種情況在負載為電感型時發生，并且頻率高于諧振頻率。在增益特性方面，電壓增益隨頻率下降。控制電路可通過改變輸入方波的頻率來調節輸出電壓，這會改變系統增益，從而產生調節過的輸出電壓。

理想的情況是，增益特性與負載條件無關，而且增益和頻率范圍都應該很易于調節。可惜的是，這些特性都極難實現。以標準諧振轉換器為例，串聯諧振轉換器的負載范圍很窄，因為增益特性隨負載變化很大；而并聯諧振轉換器的輸入電壓范圍很窄，輕載下效率也很低。LLC轉換器則可以避免這些問題。

標準諧振轉換器中有兩個組件決定諧振頻率：電感 (L) 和電容 (C)。LLC轉換器是串聯諧振轉換器，有一個額外的電感 (L) 與其它兩個組件串聯，故名為L-L-C轉換器。圖1所示的諧振電路即是一個LLC轉換器電路。在該電路中，Cr 為諧振電容。兩個電感值分別為集成式變壓器的勵磁電感(Lm) 和總漏電感 (Llkp 加 Llks)。在某些情況下，第二個電感值可以由一個外部獨立電感來實現，這種通常用于更高的功率級。

相比其他諧振轉換器，LLC 轉換器在變化負載條件下具有良好的調節性能。它要求線路輸入電壓控制良好，故一般需要PFC 前端高性能工作。業界對它的了解遠不及雙管正激拓撲。它的頻率范圍比雙管正激拓撲寬，但比其它諧振轉換器要窄得多。

圖2顯示了一個LLC轉換器的增益特性。在增益與頻率的關系圖中，給出了不同負載條件下的增益曲線。LLC 轉換器有兩個諧振頻率。如箭頭所指，較低的諧振頻率在60kHz左右；較高的則為100kHz。所有曲線，不論負載如何，都相交于第二個諧振頻率處。

對于這種設計，諧振頻率下的增益為1.2。因此如果輸出電壓設定為12V、匝數比為40:1，那么這將出現在400V輸入電壓下。不論負載如何，忽略損耗情況，頻率將保持不變。

為了便于說明，我們假設輸入電壓上升到480V，這時控制電路必需把增益降低到1.0，才能保持12V的輸出電壓。在這種情況下，頻率將在滿載下的115kHz和 20% 負載條件下的130kHz之間變化，從圖中可看出，正是對應的負載條件下的增益曲線與增益＝1.0這條線相交處的頻率。

這顯示出當偏離設計的輸入工作電壓時，頻率便會發生一些變化，輕負載下開關損耗就會增加。總而言之，LLC轉換器在恒定輸入電壓下工作性能，比如由 PFC 級提供電壓。通過設計，它們可適用于某個地區的電壓輸入范圍，比如195VAC – 265VAC。

圖2：LLC諧振轉換器增益曲線示例

對于更高的功率級，它通常都帶有功率因數校正 (PFC) 前端級。LLC轉換器的設計使得幾乎在所有工作條件下PFC級都產生恒定輸出電壓，在此電壓下，頻率不隨負載改變而變化。對于缺失輸入半波的情況下，就需要一些額外的增益，這就是所謂的“保持” (hold-up) 時間要求。

三、諧振轉換器的工作區域

llc諧振轉換器的工作區域可標注為‘+’的峰值增益和標注為‘×’的諧振頻率而分為3部分。首先，以峰值點為界，左邊是zcs(零電流開關)區(或稱為電容區)，右邊是zvs(零電壓開關)區(或稱為電感區)。在zvs區，諧振頻率ωr的左邊是下區(below region)，右邊是上區域(above region)。當llc諧振轉換器工作在zcs區時，在開關瞬間有大量反向恢復電流流經mosfet，故llc諧振轉換器應該工作在zvs區，要充分利用小工作頻率的限制不讓帶mosfet 的llc諧振轉換器進入zcs區。　如上所述，根據工作頻率是大于ωr還是小于ω，llc諧振轉換器可以工作在上區域或下區域。這還取決于兩種工作模式彼此間的不同特性。當llc諧振轉換器被設計為上區域工作時，流到mosfet的環流小于下諧振工作的，mosfet的傳導損耗因此減小，從而提高效率。不過，這時次級端上的二極管為硬開關，故必須采用肖特基或uf(超快速恢復)二極管來防止嚴重的反向恢復電流。鑒于此，象便攜式設備lcd的電源這樣的低壓應用有時會考慮采用上諧振工作。另一方面，在下諧振工作的情況下，流到mosfet的環流比上諧振工作的要大。不過下諧振工作允許次級端上的二極管進行軟導通/關斷，這樣就可以采用普通的快速恢復二極管。下諧振工作是led或pdp tv等高壓應用的首選。這些應用中，輸出電壓稍高，因而不能使用低額定電壓的肖特基二極管。　因此，必須根據應用的規格和特性來選擇llc諧振轉換器的工作區域。

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| 發布時間：2017.07.19 來源：充電器廠家

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