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魑恍氯斯こ碳夹g(shù)人員的設(shè)計工作提供一些幫助。

在實際的應(yīng)用過程中，相信很多工程師對于半橋LLC諧振DC-DC變換器都不會陌生。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，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)計和應(yīng)用過程中，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)功率需求來進(jìn)行選擇。通過高低端開關(guān)管的交替導(dǎo)通，將直流輸入轉(zhuǎn)換為方波。當(dāng)然，為防止它們同時導(dǎo)通，LLC諧振控制器普遍會在高低端開關(guān)管的驅(qū)動信號之間插入固定或可調(diào)的死區(qū)時間。LLC諧振DC-DC變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)由三個諧振原件構(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)的互補調(diào)頻控制方式來進(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。開關(guān)損耗為流過開關(guān)管的電流與其源漏極兩端的電壓乘積。此時，由于Q1、Q2在電流流過半導(dǎo)體二極管時開啟，開啟電壓很低，所以損耗很小。LLC諧振變換器電路有兩個諧振頻率，一個是諧振電感Ls和諧振電容Cs的諧振頻率，一個是Lm加上Ls與Cs的諧振頻率，即：

在上文所提供的兩個公式中，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。從開關(guān)頻率fS與諧振頻率的關(guān)系來看，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。

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

接下來再來看諧振半橋式DC-DC變換器的第二種工作狀態(tài)，即諧振變換器的開關(guān)頻率fS工作在fr1和fr2之間時的工作運行情況。此時，勵磁電感Lm參與諧振，原邊開關(guān)管Q1和Q2實現(xiàn)零電壓開通（ZVS），副邊整流二極管實現(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，激磁環(huán)路電流相對增加。

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

半橋式LLC諧振DC-DC變換器在實際的應(yīng)用過程中，其本身所具備的軟開關(guān)特性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，這一變換器能做到主開關(guān)管零電壓開通。當(dāng)Q2關(guān)斷，流過諧振電感的電流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，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，變壓器初級停止向次級傳遞能量，負(fù)載由輸出電容C0供電，直到Q1關(guān)斷，電流通過Q2的半導(dǎo)體二極管放電，為Q2實現(xiàn)零電壓開通做準(zhǔn)備，然后D2和D3導(dǎo)通，能量傳遞再次建立，同時實現(xiàn)二極管零電流導(dǎo)通。