LLC諧振變換器，以其能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，有效地減小開(kāi)關(guān)損耗和容許高頻運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，在業(yè)界得到了廣泛的重視和認(rèn)可。在這里我將分享自己對(duì)LLC諧振原理的一些感悟，希望與大家一起學(xué)習(xí)進(jìn)步。同時(shí)感謝電源網(wǎng)提供此次機(jī)會(huì)， 由于本人水平有限，如有錯(cuò)誤還請(qǐng)讀者在評(píng)論區(qū)指出，非常感謝。那么，接下來(lái)讓我們一起學(xué)習(xí)LLC諧振原理吧。由于LLC諧振變換器原理復(fù)雜，內(nèi)容較多，《從零玩轉(zhuǎn)LLC諧振電源設(shè)計(jì)》專題文章將陸續(xù)更新。
更新計(jì)劃：
- 普通開(kāi)關(guān)變換器與諧振變換器的區(qū)別
- 諧振原理與傅里葉級(jí)數(shù)分析
- LLC諧振變換器主電路拓?fù)浞治黾肮酵茖?dǎo)
- LLC諧振變換器工作模式分析
- UCC25600外圍電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
- LLC諧振變換器建模
- LLC諧振變換器MATHCAD計(jì)算書(shū)及器件選型
- LLC諧振變換器電氣原理圖及PCB設(shè)計(jì)
- LLC諧振變換器環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)（TL431+光耦）
- LLC諧振變換器調(diào)試記錄
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對(duì)于從事電力行業(yè)的人員來(lái)說(shuō)，對(duì)電源十分熟悉，其分為“直流”和“交流”。生活中常提及和人們熟知的電源是交流市電（單相220V AC或三相380V AC），隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，用電負(fù)荷對(duì)電能的要求也愈加多樣，從而孕育出電力電子技術(shù)學(xué)科，造就了開(kāi)關(guān)電源行業(yè)。電力電子技術(shù)主要講述了電能的四種變換形式，即整流（AC/DC）、斬波（DC/DC）、逆變（DC/AC）、調(diào)頻（AC/AC）。
目前常用的直流電源分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類。由于開(kāi)關(guān)電源自身消耗的能量少，效率比線性穩(wěn)壓電源高，被廣泛用于電子計(jì)算機(jī)、通訊、家電、工業(yè)、航天等各個(gè)行業(yè)。開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用十分廣泛，有必要對(duì)其原理進(jìn)行了解、對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)有所掌握，對(duì)工作幫助極大。線性電源的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)是功率損耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，不滿足節(jié)能要求。開(kāi)關(guān)電源（Switch Mode Power Supply，即SMPS）被譽(yù)為高效節(jié)能型電源，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率高、效率高；缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高?，F(xiàn)今用電設(shè)備對(duì)電能要求非常嚴(yán)苛，不僅要求電源效率高，而且還要求體積盡量小、電磁干擾盡量小、功率密度盡量高等。
開(kāi)關(guān)電源的主要損耗來(lái)自于濾波器、功率半導(dǎo)體器件和高頻變壓器，其中功率半導(dǎo)體器件損耗占絕大部分。隨著功率器件技術(shù)的進(jìn)步及電源技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)損耗在逐漸降低，電源效率在穩(wěn)步增加。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源均采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)，顯然已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)與高科技設(shè)備用電要求，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)被提出。早期的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)主要在外國(guó)發(fā)展，90年代以后，國(guó)內(nèi)的學(xué)者逐漸開(kāi)始研究軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，目前已在市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。
1.1 開(kāi)關(guān)變換器的調(diào)制方式
1.脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫(xiě)為PWM）
其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調(diào)制器。開(kāi)關(guān)周期的固定使得濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，負(fù)載變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。此外，輸出端需接假負(fù)載（0.1%Po）以防止空載時(shí)輸出電壓飆升。目前，大多數(shù)的集成開(kāi)關(guān)電源芯片采用PWM控制方式。
2.脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫(xiě)為PFM）
其特點(diǎn)是脈沖寬度固定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈頻調(diào)制器。電路設(shè)計(jì)中要用固定脈寬發(fā)生器來(lái)代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓－頻率轉(zhuǎn)換器（壓控振蕩器VCO）調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。它的穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓Uo升高時(shí)，控制器輸出的脈沖寬度不變而周期變長(zhǎng)，使占空比減小，輸出電壓Uo降低；當(dāng)輸出電壓Uo降低時(shí)，控制器輸出的脈沖寬度不變而周期變短，使占空比增大，輸出電壓Uo升高。PFM控制開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓可寬范圍調(diào)節(jié)，輸出端可不接假負(fù)載。
PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖1-1所示，Ton表示脈沖寬度，T表示周期。它們特點(diǎn)如下：
⑴ 均采用時(shí)間比率控制（TRC），實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，改變導(dǎo)通時(shí)間Ton或工作周期T，結(jié)果均是調(diào)節(jié)脈沖占空比。雖然調(diào)制方式不同，但控制目標(biāo)一致。
⑵ 當(dāng)負(fù)載由輕變重或輸入電壓從高變低時(shí)，分別通過(guò)增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩(wěn)定。
（a）PWM脈寬調(diào)制
（b）PFM脈寬調(diào)制
圖1-1 PWM與PFM調(diào)制
3.混合調(diào)制方式（PWM和PFM共同調(diào)制）
它包括脈寬調(diào)制和脈頻調(diào)制。由于Ton和T均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作輸出電壓可寬范圍調(diào)節(jié)的電源。
以上三種調(diào)制方式統(tǒng)稱為“時(shí)間比率控制”（Time Ratio Control，簡(jiǎn)稱TRC）方式。
1.2 普通開(kāi)關(guān)變換器
普通開(kāi)關(guān)變換器PWM調(diào)制方式MOS管硬開(kāi)關(guān)理想工作波形如圖1-2所示。該圖為MOS管工作簡(jiǎn)化波形（只適用于低壓），圖1-3為MOS管開(kāi)通過(guò)程的實(shí)際波形（藍(lán)色和紅色實(shí)線為Vds波形，紅色和紫色虛線為Id波形），圖1-4為開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程損耗。
圖1-2 硬開(kāi)關(guān)MOS管工作示意圖
圖1-3 實(shí)際MOS管工作波形
圖1-4 開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程損耗曲線
MOS管的損耗可分為開(kāi)通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗、續(xù)流損耗和驅(qū)動(dòng)損耗等。 計(jì)算方法如下：
開(kāi)通損耗：
導(dǎo)通損耗：
關(guān)斷損耗：
驅(qū)動(dòng)損耗： 
注：上式中：Vds－MOS管漏源極電壓，Id－MOS管電流，△T1－開(kāi)通時(shí)間，fsw－開(kāi)關(guān)頻率，Rds(on)－導(dǎo)通電阻，△T2－關(guān)斷時(shí)間，Qg－柵極電荷，Vgs－驅(qū)動(dòng)電壓
上式可以看出，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，MOS管的損耗也隨之增加，致使開(kāi)關(guān)電源的效率降低，這與目標(biāo)相悖。針對(duì)這一問(wèn)題學(xué)者們紛紛展開(kāi)研究，一方面從器件本身著手，通過(guò)減小導(dǎo)通和開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)損耗；另一方面從電路結(jié)構(gòu)入手，改變電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)，即ZVS和ZCS。所謂的ZVS就是零電壓開(kāi)通、ZCS就是零電流關(guān)斷，該技術(shù)利用電壓與電流的相位差實(shí)現(xiàn)。
1.3 諧振變換器
首次將諧振技術(shù)應(yīng)用于斬波（DC-DC）變換器是外國(guó)學(xué)者，其原理是利用器件在諧振過(guò)程中電壓與電流存在相位差，且波形過(guò)零點(diǎn)呈周期變化，為功率開(kāi)關(guān)器件軟開(kāi)關(guān)創(chuàng)造條件，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以極大的減少功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷損耗，從而到達(dá)提高電源效率。功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓（ZVS）開(kāi)通或零電流（ZCS）關(guān)斷波形如圖1-5所示。LLC諧振變換器拓?fù)湓谏鲜兰o(jì)就被提出，由于半導(dǎo)體器件自身特性限制，當(dāng)時(shí)該拓?fù)洳](méi)有得到推廣，而被擱置。2000年以后，隨著半導(dǎo)體技術(shù)難題不斷攻克，半導(dǎo)體功率器件也取得了突破性進(jìn)展。如今，功率器件已不在是限制變換器發(fā)展的主要阻力?，F(xiàn)代用電設(shè)備對(duì)電源的性能要求極高，為了滿足高效率、高功率密度及低紋波等優(yōu)點(diǎn)。LLC諧振技術(shù)又被提起，現(xiàn)已成為廣大學(xué)者研究的焦點(diǎn)，同時(shí)也被大部分電源企業(yè)青睞。
（a）ZVS波形
（b）ZCS波形
圖1-5 軟開(kāi)關(guān)波形
諧振技術(shù)發(fā)展之初為串聯(lián)諧振（SRC）和并聯(lián)諧振（PRC）變換器。電路拓?fù)淙鐖D1-6所示。該兩種拓?fù)渚凶陨淼膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，學(xué)者們就提出了將串聯(lián)和并聯(lián)諧振優(yōu)點(diǎn)集于一身的LLC諧振變換器。由于LLC諧振變換器原理相比其它變換器更為復(fù)雜，性能也較其它變換器優(yōu)越，同時(shí)也吸引了許多學(xué)者對(duì)其展開(kāi)深入的研究。學(xué)者們主要研究的方向有主電路拓?fù)浞治?、主拓?fù)浣?、?qū)動(dòng)波形死區(qū)時(shí)間確定、諧振參數(shù)優(yōu)化、功率器件損耗分析等。
（a）串聯(lián)諧振電路
（b）并聯(lián)諧振電路
圖1-6 串聯(lián)并聯(lián)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1-6中，串聯(lián)諧振變換器的諧振頻率為：
串聯(lián)諧振變換器的增益公式為：
從式（1.6）看出，串聯(lián)諧振變換器的增益：
當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，諧振電路呈電阻性，此時(shí)電壓增益最大。
同時(shí)諧振電容隔離回路中直流量，可防止變壓器磁飽和。串聯(lián)諧振變換器在輕載輸入條件下，開(kāi)關(guān)頻率變化范圍較大，諧振網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)能量很大，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗和器件應(yīng)力增大。
并聯(lián)諧振變換器的增益公式為：
并聯(lián)諧振變換器的等效負(fù)載與諧振電容：
并聯(lián)，導(dǎo)致變壓器初級(jí)阻抗非常小，故諧振電路中電流較大，開(kāi)關(guān)管損耗增加。經(jīng)以上分析知串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路均存在缺陷。研究者發(fā)現(xiàn)將串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，提出了高性能的LLC諧振變換器。
總結(jié)：此篇主要講述開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式，分析功率管硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)工作波形，引出諧振技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與LLC諧振變換器的演變。
參考文獻(xiàn)
【1】朱立泓. LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)[D].浙江大學(xué),2006.
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