LLC諧振電路設(shè)計

1、LLC諧振電路設(shè)計作者:日期:LLC諧振電路設(shè)計LLC半橋諧振電路中，根據(jù)這個諧振電容的不同聯(lián)結(jié)方式，典型LLC諧振電路有兩種連接方式，如圖1-1所示。不同之處在于LLC諧振腔的連接，左圖采用 單諧振電容（Cr），其輸入電流紋波和電流有效值較高，但布線簡單，成本相對 較低；右圖采用分體諧振電容（C1，C2），其輸入電流紋波和電流有效值較低， C1和C2上分別只流過一半的有效值電流，且電容量僅為左圖單諧振電容的一半。圖1-1典型LLC諧振電路LLC諧振變換的直流特性分為零電壓工作區(qū)和零電流工作區(qū)。 這種變換有兩 個諧振頻率。一個是Lr和Cr的諧振點，另外一個諧振點由Lm，Cr以及負(fù)載條件 決定。

2、負(fù)載加重，諧振頻率將會升高。這兩個諧振點的計算公式如下：(1-1)(1-2)12 I，LQr12丁Cm Cr考慮到盡可能提高效率，設(shè)計電路時需把工作頻率設(shè)定在fr1附近。其中，fr1 為Cr，Lr串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。當(dāng)輸入電壓下降時，可以通過降低工作頻率獲 得較大的增益。通過選擇合適的諧振參數(shù)，可以讓LLC諧振變換無論是負(fù)載變化 或是輸入電壓變化都能工作在零電壓工作區(qū)?？傮w來說LLC半橋諧振電路的開關(guān)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(xiàn) MOSFET的零電壓開通。其工作波形如圖2所示：圖中，Vgsl和Vgs2分別是Q1

3、、Q2的驅(qū)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(cè)輸出整流二級管波形， Ids1則為Q1導(dǎo)通電流。波形圖根據(jù)不同工作狀態(tài)被分成6個階段，下面具體分析各個狀態(tài)，LLC諧 振電路工作情況：1）T0T1:Q1關(guān)斷、Q2開通；這個時候諧振電感上的電流為負(fù)，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(guān)斷而結(jié)束。下圖1-3為LLC半橋諧振電路在 T0T1工作階段各個元器件工作狀態(tài)。2）T1T2:Q1關(guān)斷、Q2關(guān)斷；此時為半橋電路死區(qū)時間，諧振電感上的電流仍 為負(fù)，諧振電流對

4、Q1的輸出電容（Coss）進(jìn)行放電，并且對Q2的輸出電容（Coss）進(jìn)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(dǎo)統(tǒng)創(chuàng)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(cè)電壓高，D1、D2處于反偏狀態(tài)，所以輸出端與變壓器脫離。此階段丄m和Lr、Cr一同參加諧振。隨著Q1開通，T1T2階段結(jié)束。下圖1-4為LLC半橋諧 振電路在T1T2工作階段各個元器件工作狀態(tài)。3）T2T3:Q1開通、Q2關(guān)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(fù)，電流經(jīng) Q1的體二級管流回輸

5、入端（Vin）。同時， 輸出整流二級管（D1）導(dǎo)通，為輸出端提供能量。變壓器漏感（Lm）在此階段 被持續(xù)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，T2T3 階段結(jié)束。下圖1-5為LLC半橋諧振電路在T2T3工作階段各個元器件工作狀 態(tài)04）T3T4:此階段始于諧振電感Lr電流變負(fù)為正，Q1開通、Q2關(guān)斷，和T2T3 階段一樣。諧振電感電流開始從輸入端經(jīng) 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(guān)斷，T3T4階段結(jié)束。下圖1-6為LLC半橋諧振電路在T3T4工作階 段各個元器件工作狀態(tài)。5）T4T5

6、:Q1關(guān)斷，Q2關(guān)斷；此時為半橋電路死區(qū)時間。此時，諧振電感電流對Q1的輸出電容Coss進(jìn)行充電，并對Q2的輸出電容Coss®行放電直到Q2上 輸出電容電壓為零，導(dǎo)通Q2的體二級管，為Q2零電壓開通創(chuàng)造條件。在此 期間，變壓器二次側(cè)跟T1T2階段一樣，脫離初級側(cè)。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(jié)束。下圖1-7為LLC半橋諧振電路 在T4T5工作階段各個元器件工作狀態(tài)。6) T5T6:Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通。由于T4T5階段中Q2的輸出電容已經(jīng)被放電至零， 因此T5T6階段Q2以零電壓開通。能量由諧振電感Lr經(jīng)Q2續(xù)流，輸出端由 D2提供能量。此時，Lm不參與L

7、r和Cr的諧振。此階段隨著諧振電感Lr電流 變?yōu)榱愣Y(jié)束，重復(fù)T0T1狀態(tài)。下圖1-8為LLC半橋諧振電路在T5T6工作 階段各個元器件工作狀態(tài)。圖1-3T0T1工作階段圖1-4T1T2工作階段圖1-5T2T3工作階段圖1-6T3T4工作階段圖1-7T4T5工作階段圖1-8T5T6工作階段由以上工作狀態(tài)可以看出，除了 Q1、Q2死區(qū)時間外，絕大多數(shù)時間，電路 都可以工作在由Lr和Cr構(gòu)成的較高的諧振頻率。這種情況下，變壓器漏電感由于 被輸出電壓所鉗位，因此，它會作為Lr，Cr串聯(lián)諧振腔的負(fù)載形式存在，而不參 與整個諧振過程。由于這個被動負(fù)載，LLC諧振變換輕載穩(wěn)壓可以不再需要很高 頻率。而且，

8、由于這個被動Lm負(fù)載，可以保證在任何負(fù)載情況下都能工作在零 電壓開關(guān)狀態(tài)下。雖然理論上，LLC半橋諧振電路可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開通，但是還是要考慮諧振電路工作情況，比如增益、諧振頻率。確保了 LLC諧振電路工作 在期望的區(qū)域，才能保證MOSFET實現(xiàn)零電壓開通。為了更好的分析 MOSFET ZVS條件與LLC諧振電路工作區(qū)域的關(guān)系，首先需要分析諧振電路輸入阻抗，因此對LLC半橋諧振電路進(jìn)行以下簡化:圖1-9LLC半橋諧振電路簡化電路LLC半橋諧振等效電路輸出輸入傳遞函數(shù)如下:nV。Vin2jwLm n1 2Z。2jwLm n 乙(1-3)其中：fM第一諧振頻率第二諧振頻率亡；諧振電感與

9、變壓器漏感之比，簡稱電感比fn=七；開關(guān)頻率與第一諧振頻率之比'簡稱頻率比Q二乙迅卷；品質(zhì)因數(shù) 2VOutZo=氏=2兀訐r L =；輸出特征阻抗¥ Cr2 兀 fr GnM;初級側(cè)與次級側(cè)變壓器匝數(shù)比，簡稱匝數(shù)比Ns由公式1-3左邊部分進(jìn)行變化，可以得出兩倍匝數(shù)比與輸出電壓的乘積對輸入電壓關(guān)于頻率比、電感比和品質(zhì)因數(shù)的傳遞函數(shù)為：(1-4)M fn, ,Q = + 丸2 2nVoVin由以上定義，對公式1-3進(jìn)行簡化，得M fn, ,Q 二-A扎匚1、1十丸2f+Q,氣丿1(1-5)電路應(yīng)盡量避免工作在容性區(qū)域（fsw接近fr2），因為電路工作在容性區(qū)域 會引起環(huán)路不穩(wěn)定。諧振腔的電流滯后于輸入方波電壓是 LLC半橋諧振電路中 MOSFET實現(xiàn)零電壓開通的必要條件。LLC諧振電路輸出電壓調(diào)整主要通過改變諧振腔輸入方波開關(guān)頻率。電路工作在電壓增益曲線的感性工作區(qū)時， 電路通過調(diào)整頻率來調(diào)整輸出電壓， 提高頻 率以響應(yīng)輸出功率降低的需求，或者通過提高輸入直流電壓來實現(xiàn)電路工作在輕 載模式?；谶@兩點，如果LLC諧振電路可以工作在負(fù)載獨立工作點附近，那么 其輸出電壓可以在較寬負(fù)載變化范圍且相對較窄的開關(guān)頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)調(diào)整。輸入直流電壓范圍