基于LC串聯(lián)諧振的開關(guān)電源根據(jù)使用的電容電感數(shù)量的不同可以分為如下4種電路拓?fù)?。如下圖。

圖1是LCC的原理拓?fù)洌?fù)載RP是并聯(lián)在C3上的，C1+C2是主諧振電容，C3是輔助諧振電容。C1+C2參數(shù)的變化對整體工作狀態(tài)影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C3。

圖2是LCCD的原理拓?fù)?，比較LCC而言在諧振電容處多了2只鉗位二極管，我認(rèn)為稱之為LCCD較恰當(dāng)。

圖3是LLC的原理拓?fù)?，?fù)載RP是并聯(lián)在L2上的，L1是主諧振電感，L2是輔助諧振電感。L1參數(shù)的變化對整體工作狀態(tài)影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L2。C1+C2是主諧振電容。LLC的原理拓?fù)浯蠹乙呀?jīng)很熟悉了。

圖4是LLCD的原理拓?fù)洌容^LLC而言在諧振電容處多了2只鉗位二極管，有人稱其為“準(zhǔn)諧振”， “準(zhǔn)諧振”是個什么東西？很難說清楚，所以，我認(rèn)為稱之為LLCD更恰當(dāng)。

以上各圖中的負(fù)載RP一般是接變壓器的次級，但是當(dāng)不需要隔離時也可以是直接接負(fù)載。

2015年，“zhangyiping”在【我是工程師】的活動中發(fā)表了“新一代軟性開關(guān)電源變換技術(shù)專題討論”，提出了所謂第四代準(zhǔn)諧振開關(guān)電源，把LLCD電路拓?fù)湔f成是開關(guān)電源領(lǐng)域的革命，吹得神乎其神，好像發(fā)現(xiàn)了新大陸。實際上，LLCD僅僅是上述4種電路拓?fù)渲欢?。這4種電路拓?fù)涓揪筒淮嬖诘趲状?，更不可能誰革誰的命。這4種電路拓?fù)涓饔懈鞯挠锰帲饔懈鞯拇嬖趦r值。

上個世紀(jì)90年代，倡導(dǎo)綠色照明，很多公司生產(chǎn)熒光燈電子鎮(zhèn)流器，基本電路如下圖5。

對于做過熒光燈電子鎮(zhèn)流器的人，太熟悉這個電路了。該電路C4的容量必須足夠大，以提供中點電壓，L1和C6似乎形成LC串聯(lián)諧振，上下功率管的翻轉(zhuǎn)是靠驅(qū)動變壓器T1（鐵氧體）的磁飽和實現(xiàn)的，所以不可能真的諧振。由于鐵氧體的飽和磁通隨溫度變化而變化，從25℃到100℃，鐵氧體飽和磁通下降約36%（0.5T降到0.32T），導(dǎo)致工作頻率隨溫度上升而上升，電流下降，燈功率下降，這是該電路的第一個重要缺點；功率管的電流是三角波，功率管的關(guān)斷是三角波的峰值，損耗很大，這是該電路的第二個重要缺點。這樣的電子鎮(zhèn)流器只是僅僅把燈點亮的最低檔的劣質(zhì)產(chǎn)品。

1993年，本人采用LCCD電路設(shè)計了熒光燈電子鎮(zhèn)流器，克服了上述的2個缺點，原理如下圖6。

上圖是一個電子鎮(zhèn)流器帶2支40W熒光燈（1993年，國內(nèi)主要使用40W熒光燈照明），即一拖二。前級采用MC34262做PFC，所以該電路的供電電壓為DC390V。由L1、C6、C4、D4、D5組成一路LCCD諧振電路，帶一只熒光燈；由L2、C7、C5、D6、D7組成另一路LCCD諧振電路，帶另一只熒光燈。驅(qū)動變壓器T1工作磁通小于0.3T，即不飽和狀態(tài)。兩路諧振電路各干各的，互相不干擾?？梢灾稽c一只燈，也可以點兩只燈。

主要元件參數(shù)：L1=L2=3mH，C4=C5=103，C6=C7=752，D4=D5=D6=D7=FR107，M1=M2=IRF830，工作頻率31KHz。

40W熒光燈的燈電壓有效值約105V，燈等效阻抗約280歐姆。用280歐姆替代燈仿真，波形圖如下圖7。

圖7：熒光燈電子鎮(zhèn)流器仿真波形

第一條為MOSFET功率管電流波形，峰值約1.2A，功率管關(guān)斷時電流約0.6A，約為峰值的1/2。已經(jīng)屬于軟開關(guān)。如果只點一支燈，峰值約0.6A，功率管關(guān)斷時電流約0.3A，即各減半。

第二條為燈電壓波形，接近正玄波，半波峰值接近150V。

第三條為D4、D5連接點對地的電壓波形。

2000年前后，我又用LCCD電路設(shè)計了醫(yī)用紫外燈電子鎮(zhèn)流器，如圖8。

該燈無燈絲，直接高壓起輝，參數(shù)為：起輝電壓半波峰值900 --- 1000V，燈工作電壓有效值500V，燈電流20mA，燈功率10W。燈等效阻抗25kΩ。仿真如下。

圖9：燈開路（起輝前）

第一條為功率管電流波形，峰值約0.6A，功率管關(guān)斷時電流約0.4A。

第二條為燈電壓波形，接近正玄波，半波峰值接近1300V。

第三條為D8、D9連接點對地的電壓波形。

圖10：燈工作波形

第一條為功率管電流波形，峰值約0.35A，功率管關(guān)斷時電流約0.1A。

第二條為燈電壓波形，接近正玄波，有效值約500V。

第三條為D8、D9連接點對地的電壓波形。

LCC及LCCD電路拓?fù)涞拈_關(guān)電源實際產(chǎn)品極少見，本人也未見過采用該電路的實際產(chǎn)品。在一些雜志上和碩士博士論文可以看到對此類電源研究的文章。也有少數(shù)做除塵電源的公司聲稱自己的電源是LCC諧振電源。

用圖6、圖8電路設(shè)計的電子鎮(zhèn)流器的工作頻率主要取決于主諧振電容和主諧振電感的參數(shù)。其次，驅(qū)動變壓器的設(shè)計也有一定的影響，實驗發(fā)現(xiàn)，影響頻率的是次級電感量。驅(qū)動變壓器的設(shè)計是難點，要反復(fù)調(diào)整匝數(shù)實驗。下面說說設(shè)計思路。

圖6用的是MOS管，驅(qū)動為電壓型；圖8用的是雙極型管，驅(qū)動是電流型。所以驅(qū)動變壓器的設(shè)計方法是不一樣的。

先說說使用MOS管驅(qū)動變壓器的設(shè)計方法。圖6中驅(qū)動變壓器的次級有2個穩(wěn)壓管反串聯(lián)，這是保護(hù)MOS管柵極電壓安全必須的，可在10V --- 15V的范圍內(nèi)選取。從圖7電流波形看，接近正玄波，功率管電流有效值約0.84A，驅(qū)動變壓器初級電流0.84A，如果初級繞組電壓1V，初級輸入功率約0.84W，大部分會被耦合到次級，除了驅(qū)動MOS管需要一部分能量外，其余能量會消耗在Z1、Z2兩個穩(wěn)壓管中。所以初級繞組的電壓不宜太高，應(yīng)該在1 --- 2V為宜。變壓器匝比等于電壓比，變壓器匝比=初級:次級=1 : 6 --- 12。如果工作頻率在30多kHz，次級電感量大約1 --- 2毫亨。

圖8電路，用的是雙極型管，變壓器匝比=初級:次級= 1 : 2 --- 3。次級電感量可以很小。我用的是10*6*5的鐵氧體環(huán)，大約是3T:7T:7T。

下面介紹一款LLC通訊電源，該電源在近五年的國內(nèi)市場銷售量一直占據(jù)前三名。這說明該電源為成熟產(chǎn)品，有極好的性價比和市場競爭力。這是一款輸入AC220V，輸出48V50A的一次電源。前級有PFC，輸出DC380V，后級為普通LLC變換，LLC部分原理如下。

諧振主電感L1采用PQ2625磁芯，電感量6.2微亨，輔助諧振電感L2也采用PQ2625磁芯，電感量46.5微亨，主變壓器采用UU鐵氧體磁芯，截面10*20mm2，匝數(shù)14T/4T/4T。額定負(fù)載50A時，工作頻率150kHz。取負(fù)載為1.1Ω，仿真波形如下圖12。

第一條為MOS管電流波形，峰值25.5A，正玄波有效值18A。

第二條為C1、C2中點電壓波形。

第三條為輔助諧振電感L2電流波形，三角波半波峰值6.6A，有效值3.8A。

第四條為輸出電壓55V，負(fù)載為1.1Ω，輸出電流50A。

變壓器初級輸入電流=MOS管電流－輔助諧振電感L2電流=18A－3.8A=14.2A。

變壓器次級輸出電流=初級輸入電流*14T/4T=14.2A*14*4=49.7A。

通過波形計算的輸出電流與預(yù)先設(shè)定的50A負(fù)載電流誤差很小。

在此，請大家注意，這里主諧振電感與輔助諧振電感的比例關(guān)系不是一般書上講的1比3，而是1比7.5。

如果主諧振電感與輔助諧振電感的比例采用1比3會怎么樣呢？繼續(xù)仿真，取L1=8.5微亨，L2=27微亨，變壓器匝數(shù)16T/4T/4T，C1=C2=473。工作頻率150kHz。仿真結(jié)果如下圖13。

第一條為MOS管電流波形，峰值26.2A，正玄波有效值18.5A。

第二條為C1、C2中點電壓波形。

第三條為輔助諧振電感L2電流波形，三角波半波峰值11.6A，有效值6.7A。

第四條為輸出電壓55V，負(fù)載為1.1Ω，輸出電流50A。

我們要關(guān)注的是L2的電流大幅度增加=6.7A-3.8A=2.9A。引起L2更多的發(fā)熱，效率會降低。

結(jié)論：如果完全照書上說的去做，可能不是最優(yōu)秀的設(shè)計。

繼續(xù)仿真，10樓的仿真是滿載輸出50A的情況?，F(xiàn)在用半載，輸出25A仿真。

取L1=6.2微亨，L2=46.5微亨，變壓器匝數(shù)14T/4T/4T，C1=C2=753，負(fù)載=2.2Ω，工作頻率158kHz。仿真結(jié)果如下圖14。

第一條為MOS管電流波形，峰值13.1A，關(guān)斷電流6.4A。

第二條為輔助諧振電感L2電流波形，三角波半波峰值6.4A，有效值3.7A。

第三條為輸出電壓55V，負(fù)載為2.2Ω，輸出電流25A。

取L1=8.5微亨，L2=27微亨，變壓器匝數(shù)16T/4T/4T，C1=C2=473，負(fù)載=2.2Ω，工作頻率151.6kHz。仿真結(jié)果如下圖15。

第一條為MOS管電流波形，峰值15.7A，關(guān)斷電流12A。

第二條為輔助諧振電感L2電流波形，三角波半波峰值12.1A，有效值7A。

第三條為輸出電壓55V，負(fù)載為2.2Ω，輸出電流25A。

結(jié)論：

1、從二者的第一條波形看，L2電感量大的功率管峰值電流小。關(guān)斷電流小。功率管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗均小。

2、從二者的第二條波形看，前者通過輔助諧振電感的電流減小，后者不降反升。優(yōu)劣一目了然。

再來看看LLCD電路，按L2電感量為L1的15倍設(shè)計，如下圖16。

繼續(xù)做仿真，滿載電流50A仿真。

取L1=8微亨，L2=120微亨，變壓器匝數(shù)16T/5T/5T，C1+C2=683+623，負(fù)載=1.1Ω，工作頻率150kHz。仿真結(jié)果如下圖17。

第一條為MOS管電流波形，很好的正弦波，峰值25.8A，有效值18.2A，占空比50%。

第二條為輔助諧振電感L2電流波形，三角波半波峰值2.4A，有效值1.4A。

第三條為鉗位二極管電流波形。峰值電流約11A。

第四條為輸出電壓55V，負(fù)載為1.1Ω，輸出電流50A。

再做半載仿真，LLCD在負(fù)載降低時同時降低工作頻率。負(fù)載2.2Ω，輸出25A，采用工作頻率75kHz。仿真結(jié)果如下圖18。

第一條為MOS管電流波形，很好的正弦波，峰值25.8A，有效值18.2A，占空比25%。電流波形基本沒有變，占空比降低了一半。

第二條為輔助諧振電感L2電流波形，三角波半波峰值2.9A，梯形波，電流有效值明顯增加。

第三條為鉗位二極管電流波形。峰值電流約11A。

第四條為輸出電壓55V，負(fù)載為2.2Ω，輸出電流25A。

下面通過仿真結(jié)果對比LLC與LLCD兩種電路的優(yōu)劣。

一、滿載：

1、功率管損耗對比

LLC的MOS管電流波形，峰值25.5A，正玄波有效值18A，占空比50%，如下圖19。

圖19：LLC的MOS管電流波形

LLCD的MOS管電流波形，峰值25.8A，正玄波有效值18.2A，占空比50%，如下圖20。

圖20：LLCD的MOS管電流波形

2、輔助諧振電感L2損耗對比

LLC的L2電流：三角波半波峰值6.4A，有效值3.7A，如下圖21。

圖21：LLC輔助諧振電感L2的波形

LLCD的L2電流：三角波半波峰值2.4A，有效值1.4A，如下圖22。

圖22：LLCD輔助諧振電感L2的波形

滿載結(jié)論：

1、功率管的電流無明顯差異，可以認(rèn)為功率管的損耗沒有優(yōu)劣之分。

2、變壓器雖然匝比不同，性能成本不會有明顯差異，可以認(rèn)為變壓器沒有優(yōu)劣之分。

3、L1的電流無明顯差異，LLCD的電感量略大，LLC電路優(yōu)勢。

4、L2的電流，LLCD的電流小，L2的損耗在總損耗中所占比重很小，LLCD優(yōu)勢。

二、半載：

1、功率管損耗對比

假設(shè)功率管導(dǎo)通電阻0.1Ω，計算功耗。

LLC的MOS管電流，峰值13.1A，有效值9.26A，關(guān)斷電流6.4A，占空比50%。

LLC的MOS管導(dǎo)通功耗=9.26A*9.26A*0.1Ω*50%=4.29W。

圖23：半載LLC的MOS管電流波形

LLCD的MOS管電流波形，峰值25.8A，有效值18.2A，關(guān)斷電流2.9A，占空比25%。

LLCD的MOS管導(dǎo)通功耗=18.2A*18.2A*0.1*25%=8.28W。

圖24：半載LLCD的MOS管電流波形

2、輔助諧振電感L2損耗對比

LLC的L2電流：三角波半波峰值6.4A，有效值3.7A，如下圖25。

圖25：半載LLC輔助諧振電感L2波形

LLCD的L2電流：梯形波半波峰值2.9A，有效值大于1.8A，如下圖26。

圖26：半載LLCD輔助諧振電感L2波形

半載結(jié)論：

1、除了輸出整流管，整機主要損耗是MOS管，MOS管的損耗主要是導(dǎo)通損耗，LLC的開關(guān)損耗主要在關(guān)斷時，而關(guān)斷電流僅為峰值電流的1/2以下，MOS管的關(guān)斷損耗只占總損耗的20%以下。而LLC的導(dǎo)通損耗只有LLCD的一半，所以LLC明顯優(yōu)勢。

2、與上一條同樣的道理，因為電流的問題，變壓器和L1的銅損也是LLCD大很多，LLC明顯優(yōu)勢。

3、L2的電流，LLCD的電流小，LLCD優(yōu)勢。

4、總體效率，LLC明顯優(yōu)勢。

最終結(jié)論：在效率方面，LLCD沒有任何優(yōu)勢。由于LLCD多了兩支鉗位二極管，在成本方面，LLCD也沒有優(yōu)勢。

LLC和LLCD諧振電源的開關(guān)損耗雖然非常小，其導(dǎo)通損耗是明顯大于硬開關(guān)電源的。導(dǎo)通損耗最小的是反激電源，因為比起其他電源，所有通過功率管進(jìn)入變壓器的能量都傳輸?shù)搅舜渭墸ê雎宰儔浩鲹p耗）。

反激電源傳輸功率=平均電流X電壓X占空比

其次是所有正激、推挽、半橋、全橋等等硬開關(guān)電源，通過功率管進(jìn)入變壓器的能量有一部分不能傳輸?shù)酱渭墸褪羌ご烹娏髟谕舜艜r反回到初級的電容里。

正激電源傳輸功率=（平均電流－激磁電流）X電壓X占空比

諧振電源的導(dǎo)通損耗更大，通過功率管進(jìn)入變壓器的能量除了變壓器激磁電流不能傳輸?shù)酱渭墸€有維持諧振必須的電流也不能傳輸?shù)酱渭?，即前面圖中流經(jīng)電感L2的電流。

諧振電源傳輸功率=（平均電流－激磁電流－諧振電流）X電壓X占空比

諧振電源的缺點多得很，諧振電源為了降低開關(guān)損耗，不僅以犧牲導(dǎo)通損耗為代價換取了低開關(guān)損耗，同時諧振電源的應(yīng)用也有很大的局限性。

諧振電源最重要的優(yōu)勢是極低的開關(guān)損耗，如果把開關(guān)電源設(shè)計為諧振電源，就一定要用好這個優(yōu)勢。低開關(guān)損耗帶來的最大好處是可以大幅度提高工作頻率，從而大幅度減小變壓器的體積。如上所述的通訊電源，將滿載頻率做到了150kHz，變壓器就很小，發(fā)揮了LLC諧振電源的優(yōu)勢。如果做LLC諧振電源只是做50 --- 60kHz的話，就不能顯現(xiàn)出諧振電源的優(yōu)勢。所以，提高功率密度才是諧振電源更為重要的優(yōu)勢。

諧振電源不僅以犧牲導(dǎo)通損耗為代價換取了低開關(guān)損耗，還有很多應(yīng)用的局限：

1、輸入電壓大幅度波動，不宜使用諧振電源。

2、輸出電壓大范圍調(diào)壓，不宜使用諧振電源。

3、輸出功率過小，沒有必要使用諧振電源。

4、輸出功率過大，不宜使用諧振電源。如果供電電壓為DC400V，諧振電源的上限功率約為10kW。因為如上所述，為發(fā)揮諧振的優(yōu)勢，必然要把頻率做高，這樣主諧振電感的電感量必然很小，此時電源變壓器漏感，引線等等分布參數(shù)對工作狀態(tài)影響很大，工藝處理難度很大，難于實現(xiàn)。

諧振電源除了以上局限外，對于LLCD而言，卻有它的一個用武之地，如果要做至少幾十kW的大功率電源，必須使用IGBT作為功率管，IGBT的開關(guān)速度慢，普通硬開關(guān)也就做20kHz左右的頻率。即便做諧振電源，頻率也不宜太高，一般60 --- 70kHz也就差不多了。正好利用LLCD隨負(fù)載下降頻率下降的控制特性，當(dāng)頻率下降到20kHz左右時，負(fù)載很輕，則由PFM轉(zhuǎn)入PWM工作方式，即硬開關(guān)方式。

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