半橋LLC諧振DC-DC變換器工作原理詳解

作為一種被廣泛應(yīng)用在汽車交通、工業(yè)控制等領(lǐng)域的重要元件，目前DC-DC變換器已經(jīng)發(fā)展出了多種不同的種類，其中，LLC諧振DC-DC變換器的應(yīng)用范圍十分廣泛。本文將會(huì)就該種類型的DC-DC變換器工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，希望能夠?qū)Ω魑?a target="_blank">新人工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作提供一些幫助。

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，相信很多工程師對(duì)于半橋LLC諧振DC-DC變換器都不會(huì)陌生。這種變換器除了具有應(yīng)用范圍非常廣泛之外，還具有輸出功率高、轉(zhuǎn)換效率高等顯著特點(diǎn)，其主電路結(jié)構(gòu)如下圖圖1所示。LLC諧振變換器一般包括三部分：方波產(chǎn)生電路、諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出電路。

圖1 半橋LLC諧振變換器的主電路結(jié)構(gòu)

通常情況下，在變換器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，方波產(chǎn)生電路可以是半橋或全橋結(jié)構(gòu)，這主要是根據(jù)功率需求來(lái)進(jìn)行選擇。通過(guò)高低端開(kāi)關(guān)管的交替導(dǎo)通，將直流輸入轉(zhuǎn)換為方波。當(dāng)然，為防止它們同時(shí)導(dǎo)通，LLC諧振控制器普遍會(huì)在高低端開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間插入固定或可調(diào)的死區(qū)時(shí)間。LLC諧振DC-DC變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)諧振原件構(gòu)成，分別為諧振電容Cs，諧振電感Ls和激磁電感Lm。

從圖1所給出的半橋LLC諧振DC-DC變換器的主電路結(jié)構(gòu)圖中可以看出，該電路系統(tǒng)由以下元件構(gòu)成：兩個(gè)功率MOSFETQ1、Q2，Q1和Q2的占空比都是0.5，采用固定死區(qū)的互補(bǔ)調(diào)頻控制方式來(lái)進(jìn)行控制。圖1還中分別給出了Q1和Q2的半導(dǎo)體二極管和寄生電容、諧振電容Cs、理想變壓器、并聯(lián)諧振電感Lm、串聯(lián)諧振電感Ls、全橋整流二極管（D1、D2、D3、D4）、輸出電容C0和負(fù)載R0。

在圖1所示的半橋諧振變換器主電路系統(tǒng)中，當(dāng)方波饋入諧振網(wǎng)絡(luò)后，電流波形和電壓波形將產(chǎn)生相位差。開(kāi)關(guān)損耗為流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流與其源漏極兩端的電壓乘積。此時(shí)，由于Q1、Q2在電流流過(guò)半導(dǎo)體二極管時(shí)開(kāi)啟，開(kāi)啟電壓很低，所以損耗很小。LLC諧振變換器電路有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是諧振電感Ls和諧振電容Cs的諧振頻率，一個(gè)是Lm加上Ls與Cs的諧振頻率，即：

在上文所提供的兩個(gè)公式中，所求得的參數(shù)fr1為Cs與Ls的諧振頻率，參數(shù)fr2為Cs、Ls和Lm的諧振頻率，很顯然，參數(shù)fr1>fr2。從開(kāi)關(guān)頻率fS與諧振頻率的關(guān)系來(lái)看，LLC半橋諧振DC-DC變換器的工作狀態(tài)分為fS=fr1、fr2≤fSfr1三種工作區(qū)域。下面我們進(jìn)行一一介紹。

首先來(lái)看諧振DC-DC變換器的第一個(gè)工作狀態(tài)，即開(kāi)關(guān)頻率fS等于fr1時(shí)的工作情況。在該狀態(tài)下時(shí)，原邊開(kāi)關(guān)管Q1和Q2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通（ZVS），副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)零電流（ZCS）自然關(guān)斷，并且工作在電流連續(xù)狀態(tài)。

接下來(lái)再來(lái)看諧振半橋式DC-DC變換器的第二種工作狀態(tài)，即諧振變換器的開(kāi)關(guān)頻率fS工作在fr1和fr2之間時(shí)的工作運(yùn)行情況。此時(shí)，勵(lì)磁電感Lm參與諧振，原邊開(kāi)關(guān)管Q1和Q2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通（ZVS），副邊整流二極管實(shí)現(xiàn)零電流（ZCS）自然關(guān)斷，并且工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，當(dāng)工作頻率偏離諧振頻率fr1并下降時(shí)，激磁環(huán)路電流相對(duì)增加。

當(dāng)半橋式LLC諧振DC-DC變換器工作在高于fr1的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，勵(lì)磁電感Lm被輸出電壓鉗位，不參與諧振，開(kāi)關(guān)管Q1、Q2實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，激磁環(huán)路電流相對(duì)較小，但副邊整流二極管不能實(shí)現(xiàn)零電流自然關(guān)斷。對(duì)不同負(fù)載產(chǎn)生的不同功率需求，變換器的開(kāi)關(guān)頻率也將不同。負(fù)載越輕，開(kāi)關(guān)頻率越高。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率約等于諧振頻率fr1時(shí)，LLC變換器的特性幾乎與負(fù)載無(wú)關(guān)，增益僅由變壓器匝數(shù)比決定。

半橋式LLC諧振DC-DC變換器在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，其本身所具備的軟開(kāi)關(guān)特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，這一變換器能做到主開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通。當(dāng)Q2關(guān)斷，流過(guò)諧振電感的電流is經(jīng)Q1的半導(dǎo)體二極管放電，為Q1的零電壓開(kāi)通做好準(zhǔn)備。其次，它還可以達(dá)到整流二極管零電流關(guān)斷/導(dǎo)通的效果。當(dāng)is振蕩到與激磁電感電流im相等時(shí)，D1和D4因電流下降至零，自然關(guān)斷。當(dāng)Cs、Ls和Lm共同諧振時(shí)，變壓器初級(jí)停止向次級(jí)傳遞能量，負(fù)載由輸出電容C0供電，直到Q1關(guān)斷，電流通過(guò)Q2的半導(dǎo)體二極管放電，為Q2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通做準(zhǔn)備，然后D2和D3導(dǎo)通，能量傳遞再次建立，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二極管零電流導(dǎo)通。

希望上文有關(guān)LLC諧振DC-DC變換器工作原理的詳細(xì)介紹能給大家提供一些工作上的小幫助。

記得十年前，LLC還只是停留在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里面。如今，LLC已經(jīng)作為一種優(yōu)秀的拓?fù)浔粯I(yè)界所廣泛的接受和使用。不得不感慨技術(shù)發(fā)展的速度。也正說(shuō)明了LLC是一種非常優(yōu)秀的拓?fù)?，才能在如此短的時(shí)間里得不到大家的認(rèn)可。

盡管LLC已經(jīng)被廣泛的使用，工程師們還是會(huì)在工作中發(fā)現(xiàn)對(duì)LLC的原理和設(shè)計(jì)了解的不是很透徹。

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