LLC半橋諧振電路工作情況解析

LLC半橋諧振電路中，根據(jù)這個(gè)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，如下圖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(duì)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。

LLC半橋諧振電路基 本原理

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(gè)諧振頻率。一個(gè)是Lr 和Cr的諧振點(diǎn)，另外一個(gè)諧振點(diǎn)由Lm, Cr以及負(fù)載條

件決定。負(fù)載加重，諧振頻率將會(huì)升高。這兩個(gè)諧振點(diǎn)的計(jì)算公式如下：

考慮到盡可能提高效率，設(shè)計(jì)電路時(shí)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(shí)，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)。

總體來說LLC半橋諧振電路的開關(guān)動(dòng)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(shí)現(xiàn)MOSFET零電壓開通。其工作波形圖如下：

上圖為理想半橋諧振電路工作波形圖；圖中，Vgs1 和 Vgs2 分別是 Q1、Q2

的驅(qū)動(dòng)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(jí)側(cè)輸出整流二級(jí)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(gè)階段，下面具體分析各個(gè)狀態(tài)，LLC諧振電路工作情況：

T0~ T1: Q1關(guān)斷、Q2開通；這個(gè)時(shí)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(gè)階段隨著Q2關(guān)斷而結(jié)束。下圖3為LLC半橋諧振電路在T0~ T1工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。

T1~ T2:Q1關(guān)斷、Q2關(guān)斷；此時(shí)為半橋電路死區(qū)時(shí)間，諧振電感上的電流仍為負(fù)，諧振電流對(duì)Q1的輸出電容（Coss）進(jìn)行放電，并且對(duì)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(jí)管此是出于正向偏置，而Q2的體二級(jí)管示反相偏置，兩個(gè)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,Lm和Lr、Cr一同參加諧振。隨著Q1開通，T1~ T2階段結(jié)束。下圖4為LLC半橋諧振電路在T1~ T2工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。

T2~ T3: Q1開通、Q2關(guān)斷（一旦Q1的輸出電容被放電放到零時(shí)）。此時(shí)諧振電感上的電流仍舊為負(fù)，電流經(jīng)Q1的體二級(jí)管流回輸入端（Vin）。同時(shí)，輸出整流二級(jí)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(shí)，T2~ T3階段結(jié)束。下圖5為LLC半橋諧振電路在T2~ T3工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。

T3~ T4: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T2~T3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(shí)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，T3~ T4階段結(jié)束。下圖2-6為LLC半橋諧振電路在T3~ T4工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。

T4~ T5:Q1關(guān)斷，Q2關(guān)斷；此時(shí)為半橋電路死區(qū)時(shí)間。此時(shí)，諧振電感電流對(duì)Q1的輸出電容Coss進(jìn)行充電，并對(duì)Q2的輸出電容Coss進(jìn)行放電直到Q2上輸出電容電壓為零，導(dǎo)通Q2的體二級(jí)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T1~ T2階段一樣，脫離初級(jí)側(cè)。在死去時(shí)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7為LLC半橋諧振電路在T4~ T5工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。

T5~ T6:Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通。由于T4~ T5階段中Q2的輸出電容已經(jīng)被放電至零，因此T5~ T6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(shí)，Lm不參與Lr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)T0~ T1狀態(tài)。下圖8為LLC半橋諧振電路在T5~ T6工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。

由以上工作狀態(tài)可以看出，除了Q1、Q2死區(qū)時(shí)間外，絕大多數(shù)時(shí)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(huì)作為Lr,Cr串聯(lián)諧振腔的負(fù)載形式存在，而不參與整個(gè)諧振過程。由于這個(gè)被動(dòng)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，由于這個(gè)被動(dòng)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。