LLC半橋諧振變換器的工作原理分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u10056LLC半橋諧振變換器的工作原理分析概述 1289021.1DC/DC變換器分析比較 1301331.2LLC半橋諧振變換器工作原理 5138211.3小結 141.1DC/DC變換器分析比較DC/DC變換電路具有優(yōu)良的能力以及各式各樣的優(yōu)點，因此在國內外技術員的不懈努力下，在基本結構的基礎上，不斷有各種各樣新型DC/DC變換電路被設計出來。這些變換電路可以依據(jù)電感電容的不同連接位置劃分為三種電路，分別是Boost電路、Buck電路以及Buck?Boost電路。而最新的變換拓撲電路中往往添加了隔離變壓器，這樣可以更加方便的達到ZVS導通或者ZCS導通。而常見的帶隔離變壓器的電路因其不同的連接方式又可以劃分為五種，分別是單端正激、單端反激、推挽式、半橋式以及全橋式DC/DC變換電路。如果我們對這五種DC/DC變換電路進行一個比較就會發(fā)現(xiàn):首先單端正激或者反激變換器中的電壓器是單向勵磁，這樣的變換器效率不高，工作范圍不寬，無法工作在大功率的情況下。推挽式因其變壓器的磁化問題，其開關管兩端的電壓往往會很大，而能承受如此之大電壓的開關管很難尋找，因此該結構的使用情況受到了制約。剩下的全橋式變換器具有繁雜的電路結構，往往會花費較多的材料，造成不必要的浪費，而且這種變壓器有時會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，需要的隔離保護相比其他電路更加復雜。與前面幾款變換器相比，半橋式變換器既具有簡潔的電路結構，不會消耗很好的材料，又可以很好的抗拒磁化現(xiàn)象，輸出效率很好，因此半橋式變換器是較好的選擇。根據(jù)上面的比較，本文將使用半橋式變換器，接下來對其再進一步進行考慮。雖然我們在拓撲結構上使用了較好的半橋式變換器，但是我們還需要考慮到半橋變換器和軟開關技術的融合使用，如果我們不使用軟開關，原本的硬開關會使系統(tǒng)出現(xiàn)不必要的消耗致使整體結構的效率更低。而諧振腔內的電感元件電容元件的各種連接方式對應著不同的適用范圍，比如移相全橋電路往往使用脈寬來進行調節(jié)，而半橋式電路則往往控制頻率變化來實現(xiàn)調制。接下來我們具體分析三種變換器的特點。一、移相全橋DC/DC變換器該變換器使用了軟開關技術，并且使用控制脈寬來調制的方法，是較為先進的變換器。該變換器在諧振網(wǎng)絡里添加了一個電感元件用來參與諧振，從而實現(xiàn)了軟開關技術。而這一改動也使該變換器廣受好評，我們可以在各種各樣的場景里看到它的使用。如下為此移相全橋DC/DC變換器的輸出電壓公式：V其中，n——匝數(shù)比；D——占空比；Uin圖2-1移相全橋DC/DC變換電路圖2-1中拓撲電路中的Lr實際上由兩個不同的電感組合而成，兩者分別是諧振網(wǎng)絡上的電感和變壓器的漏感。該變換器在開關管導通和斷開時，諧振電感L但此變換器仍舊存在很多問題尚未解決：（1）首先是相位滯后的橋臂更難實現(xiàn)ZVS。這是因為在相位滯后的橋臂即將達到ZVS的時候，變壓器的副邊會因此短路，帶來的后果便是副邊的電感L2不能加入諧振。而諧振電感Lr遠遠小于副邊電感L2（2）其次是在副邊的占空比Deff丟失。由一些與之有聯(lián)系的公式我們可以知道如下公式，Deff=D?2L（3）變壓器在工作時會因為出現(xiàn)磁飽和而無法繼續(xù)工作。MOS管s1、s3與s2、s4，會在工作過程中互補開通，這會導致變壓器（4）還有一個問題便是副邊的二極管也會無可避免的發(fā)生寄生震蕩。在該電路中，一共存在四個主開關管，這幾個MOS管都能夠達到ZVS，但副邊電路還存在二極管D5和D6，D5和D6二、半橋LC諧振變換電路圖2-2半橋LC串聯(lián)諧振電路由上圖我們可以知道在此變換電路的輸入側有兩個值相同且很大的電容C3以及C4，這兩個電容兩端的電壓分別為輸入側輸入電壓的一半，而且一般保持不變，電路剩余部分不會對該部分電容兩端電壓造成影響。MOS管s1與s2互補開通，而s1與s2開通與斷開之間需要設置死區(qū)以防兩個開關管同時導通造成直通。而諧振腔包括由MOS管頻率和諧振頻率的大小區(qū)別出了半橋LC諧振變換電路的三種運作方式：如果fs<fr∕2，那么Lr的電流iP就是峰值較高而且整股電流斷續(xù)有間隔，因此變換器也因為iP的原因間斷運作。此時MOS管已經能夠實現(xiàn)ZVS和ZCS，而且寄生二極管可以照常開通和截斷狀態(tài)。如果fr∕2<fs<fr，那么Lr的電流iP就會更改為連續(xù)，因此變換器也因為iP的原因開始連續(xù)不間斷運作。而此時MOS管開通時為硬開關，關斷是則是以ZCS方式關斷，由軟開關和硬開關的特點我們可以知道這種情況下開通時會產生一定消耗，但斷開時消耗并不多。如果fs>三、半橋LLC諧振變換電路由圖2-3我們能夠得知，半橋LLC諧振變換器一共有兩個MOS管，分別是s1以及s2，而C1以及C2分別為s1以及s2各自的寄生電容，D1以及D2分別為s1以及s2各自的體二極管，MOS管、寄生電容及體二極管一起構成了半橋LLC諧振變換電路。Cr、L圖2-3半橋LLC諧振變換電路該電路提供給兩個MOS管的驅動電壓是占空比0.5的方形脈沖，s1與s2的脈沖信號互補，使得s1和s2可以做到交替開通。為了防止一個開關開通，另一個開關還未關斷，最終導致兩開關直通，我們在兩個開關的脈沖信號中添加死區(qū)。此變換器存在兩個不同的諧振頻率，分別是只有Cr和Lr兩者工作時的頻率fr1，以及C半橋LLC諧振變換電路與其他電路相比存在如下優(yōu)勢：（1）MOS管s1與s2可以實現(xiàn)ZVS開通，整流二極管可以實現(xiàn)（2）電路結構不復雜，工作效率較高；（3）可以在較高的頻率下使用，功率密度不低；（4）如果電路的輸入電壓發(fā)生劇烈波動或者突然調整大小，該變換器可以較快的進行調整；（5）磁性元件能夠有選擇的集成到變壓器內部，可以將其他變換器無法利用的漏感以及勵磁電感進行充分的使用。但是主體來說，該變換器仍存在一些沒有解決的問題：①如果在電路中發(fā)生短路，變壓器原邊流經的電流值會急劇加大；②在電路中電流的有效值不低1.2LLC半橋諧振變換器工作原理如果我們想完成ZVS，那么MOS管的電流相位就要滯后于電壓的相位，從而讓諧振網(wǎng)絡運行在感性模式。MOS管之所以能夠完成ZVS開通，是因為MOS管開通之前，電流便要提前流經MOS管的體二極管D1（S→D），這使得MOS管上D?S兩端的電壓值保持在0V左右，如果這一時間我們開通MOS管，就能夠完成ZVS開通。與之原理相近，在我們斷開MOS管之前，此時MOS管的寄生電容兩側的電壓保持在0V左右，由于電容的電壓無法突然變化，所以在我們關斷MOS管時，也相當于實現(xiàn)了ZVS斷開。如圖2-4是MOS-圖2-4MOS管電流電壓波形如果我們對LLC電路進行等效替換，就可以得到如圖2-5的等效簡化電路。圖2-5等效簡化電路如果Rac的大小改變，系統(tǒng)就會自動調節(jié)工作頻率，從而使得Zr以及Z此電路存在兩個不同的諧振頻率，分別是只有Cr和Lr兩者工作時的頻率fr1，以及Cr和Lr及諧振頻率ff諧振頻率ff圖2-6為LLC諧振變換器的直流增益特征曲線，根據(jù)這張圖我們能夠把它劃成3塊不同的工作區(qū)域。其中第一和第二區(qū)域我們可以知道其性態(tài)為感性，這代表這變換器在此區(qū)域內能夠實現(xiàn)ZVS目的；而剩下的第三區(qū)域是容性，變換器在該區(qū)域內實現(xiàn)ZCS目的。但是由于MOS管運作在ZVS比ZCS所造成的消耗更小，所以工作人員往往要求變換器工作在第一第二區(qū)域。圖2-6LLC諧振變換器直流增益顯然,freq\o\ac(○,1)當fS>fr2時，MOS管工作在ZVS區(qū)域，對于MOS管來說，ZVS模式下開關損耗較ZCSeq\o\ac(○,2)當負載很小的時候，LLC變換器開關頻率不會發(fā)生明顯的變化，這讓它即使是空載情況下也能完成ZVS。每個區(qū)域實際上是由諧振頻率fr1和fr2的大小關系所決定的，下文將分情況對半橋LLC諧振變換器在fr2<f（1）變換電路在(fr2如圖2-7，為工作區(qū)域2時各處電流及電壓值。圖2-7工作區(qū)域2各處電流電壓值模態(tài)1t0時刻，Q2關斷，Ir<0，IDR1=0。Ir流經圖2-8 t0我們將Vin直接加于諧振網(wǎng)絡上，隨著時間的推移，Ir逐漸增加至零，在這個過程中，我們可以通過電磁感應定律得知同名端為“+”,這個時候變壓器副邊的DR1模態(tài)2M2:(tt0~t1時段，Q1已經ON。這個時候Ir按照正弦波上升趨勢逐漸變大，變壓器副邊二極管DR1還未關斷，副邊的全部電壓都輸出出去。那么此時原邊兩側電壓保持不變，Lm在恒定電壓的作用下開始儲能，流經電流以線性規(guī)律增大。此時Lr和Cr作為主要諧振元件參與諧振，圖2-9t1~t模態(tài)3M當t2結束的時候，Inp=0,而因為原邊電流是零，所以副邊電流必然是零,恰好此時DR1斷開，且無電流，所以DR1做到了ZCS，可以防止出現(xiàn)反向恢復的現(xiàn)象。此時Q1還未關斷。由于這個時候是由Lr+Lm和Cr共同進行諧振，Lm+通過M3，我們了解到MOS管在圖2-10t2模態(tài)4在這個模態(tài)時，Ir在MOS管的寄生電容上進行充放電，當Vds兩端電壓保持為0的時候，S2復位。這些使得圖2-11模態(tài)4電路圖a圖2-12模態(tài)4電路圖b模態(tài)5之前模態(tài)1到4是為前一半周期，后一半周期和之基本相同。(1)在之前我們了解到時間進行到t3時刻,Q1不再開通,并且激磁電流通過(2)通過電磁感應定律我們可以清楚知道同名端是‘?’,這個時候變壓器副邊二極管DR2開通，保持副邊兩端電壓在?V0(3)我們可以知道Lm上的電流在以線性規(guī)律逐漸減小，如何我們在其減少至零之前,把Q2保持導通,我們就可以完成了ZVS導通。而此時Ir的電流以正弦規(guī)律下降(這個時候是L(4)與之前相似，經歷Lr+Lm（2）變換電路在f=fr1頻率段的工作狀態(tài)相對于fr2<f<f圖2-12f=f（3）變換電路在f>fr1頻率段的工作狀態(tài)如圖2-13，為工作區(qū)域1時各處電流及電壓值。圖2-13工作區(qū)域為1時電流電壓波形模態(tài)1MQ2在t0開始的時候斷開，如果我們把左到右當做正方向，那么這個時候Lr上流經的電流Ir<0。Ir經過D1，可以使得Q1達成ZVS導通，此時Ir按照正弦波趨向逐漸降低。根據(jù)電磁感應定律我們可以知道，此時變壓器副邊二極管DR1保持開通，副邊兩端的電壓就是最終輸出的V0，可以知道此刻原邊的電壓是n圖2-14t0模態(tài)2M2:(t此時Q1保持ON，Ir按照正弦波的趨勢提升，ILm按照線性規(guī)律變大，Q1在進行到t2選擇斷開，此時Ir>ILm，所以當Q1斷開的時候，圖2-15t1模態(tài)3在這個模態(tài)時，Ir在MOS管的寄生電容上進行充放電，當Vds兩端電壓保持為0的時候，S2復位。這些使得圖2-16模態(tài)3電路圖a圖2-17模態(tài)3電路圖b模態(tài)4之前模態(tài)1到3是為前一半周期，后一半周期和之基本相同。(1)之前我們知道當時間進行到t2，Q1選擇斷開，此時Ir經過D2,此時(2)ILm變小，根據(jù)電磁感應定律我們可以知道同名端是“?”，變壓器副邊二極管DR2開通，此時變壓器原邊上Lm1.3小結首先介紹了五種不同的具有諧振腔的DC/DC變換器，之后又介紹了三種不同