LLC谐振变换器初探

陈邦杰 关振亚

1.安徽电力寿县供电有限责任公司；2.安徽电力金寨供电有限责任公司

LLC谐振变换器初探

陈邦杰1关振亚2

1.安徽电力寿县供电有限责任公司；2.安徽电力金寨供电有限责任公司

本文主要介绍了软开关的概念、主要实现原理；在此基础上将目前较为前沿的LLC谐振变换器与传统的几类谐振变换器、PWM变换器进行比较，总结了其具有的优势；以全桥LLC谐振变换器为例，择取重点，针对其实现主开关管ZVS的条件、整流二极管反向恢复问题的解决、宽输入电压范围等典型问题进行了分析；最后，介绍了两类典型的LLC谐振变换器拓扑，分别是半桥LLC电路、三电平LLC电路以及复合式全桥三电平LLC谐振变换器电路，对三者各自的特点进行了简要的归纳。

LLC谐振变换器；反向恢复；拓扑；半桥；三电平；复合式

1 绪论

1.1 软开关技术概述

伴随着电力电子技术的飞速发展，20世纪70年代以来，变换器工作频率提高到了20kHz以上。然而，常规的DC/DC PWM功率变换技术进一步提高开关频率会面临许多问题。随着开关频率的提高，一方面开关管的开关损耗会成正比上升，使电路的效率大大降低，从而使变换器处理功率的能力大幅下降；另一方面，系统会对外产生严重的电磁干扰（EMI）。

为了克服上述DC/DC变换器在硬开关工作状态下的诸多问题，软开关技术得到了学术界广泛的重视和深入的研究。软开关，是指在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零点，使得开关器件在零电压或者零电流条件下开通或者关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。

根据软开关技术的发展历程，软开关变换器分为全谐振变换器、准谐振变换器、PWM软开关变换器。下面选取两类有代表性的软开关变换器，对其性能优缺点做如下分析。

1.2 传统谐振变换器的优缺点

谐振变换器实现软开关的核心组成部分是谐振电路，根据谐振电路与负载的连接关系，谐振电路可以分为串联谐振电路、并联谐振电路和两者相结合的串并联谐振电路。

图1-1所示为半桥串联谐振变换器基本电路，从结构上看，谐振电容Cr和谐振电感Lr构成串联谐振环节，并与负载与串联的形式连接。基于此，谐振环节和负载构成分压器，若变换器开关频率变化，则串联谐振环节阻抗变化，负载分压也会发生变化。开关频率要大于谐振频率才能实现原边开关管的零电压开关（ZVS）。

串联谐振变换器优点有：

1）串联谐振电容起到隔直作用，避免高频变压器饱和；

2）谐振槽路电流随负载的变轻而减小，因此轻载时效率较高。

而它的缺点有：

1）轻载或空载情况下，输出电压不可调；

2）输出直流滤波电容须承受较大的电流脉动。

图1-2所示为半桥式并联谐振变换器，从结构上看，谐振电容Cr和谐振电感Lr构成串联谐振环节，并与负载与并联的形式连接。同串联谐振变换器一样，它的开关频率也要大于谐振频率才能实现原边开关管的零电压开关（ZVS）。

并联谐振变换器的优点有：

1）变换器可以工作至空载，因为输出电压始终与开关频率有关；

2）由于输出端采用大滤波电感，对滤波电容的电流脉动电流要求小，适用于低输出电压、大输出电流的场合。

而它的缺点是：

1）与串联谐振变换器相比，并联谐振变换器的工作范围比较小。

2）轻载时，它只要稍微增加开关频率就可以调节输出电压了。对于并联谐振变换器来说，当负载比较轻时，电路中的循环能量比较大。由于负载是和谐振电容并联的，当负载为零时，就相当于只有谐振元件在参与工作，这时候的阻抗小，循环能量比较高。

3）谐振槽路电流基本与负载轻重无关，因此开关管的通态损耗相对固定，变换器在轻载时的效率较低，只能适用于输出电压范围较窄和额定功率处负载相对恒定的场合。

图1-3所示为半桥式串并联谐振变换器，它可以被看做是在并联谐振变换器的基础上，给串联谐振环节多串接一个谐振电容Cs。因此，串并联谐振变换器兼有串联、并联谐振变换器的优点。

其优点有：

1）当负载为额定时，变换器呈现串联谐振变换器的特性；

图1-1 半桥串联谐振变换器

图1-2 半桥式并联谐振变换器

图1-3 半桥式串并联谐振变换器

2）当负载变轻时偏向并联谐振变换器的特性，其谐振槽路电流能随负载变化因而工作效率高，同时通过调节开关频率能在较宽范围内调节输出电压。

其缺点为：

变压器原边漏感无法参加谐振，造成变压器电压电流存在较大的相位差，导致谐振回路中无功电流增加，通态损耗也增加。

以上所述的三种电路中的谐振环节全程参与能量变换过程，并且通过脉冲频率调制的方法来调节输出电压，这就使得电源的输入滤波器、输出滤波器的设计复杂化，并影响系统的噪声。为了克服这些制约，PWM软开关变换器应运而生，它通过调节开关的占空比来调节输出电压，属恒频控制，控制方法简单。下面具体分析其中的代表性变换器——移相控制PWM ZVS全桥变换器。

1.3 移相控制PWM ZVS全桥变换器的优缺点分析

如图1-4所示为移相控制PWM ZVS全桥变换器，其电路结构与普通双极性PWM变换器类似。通过调节超前臂和滞后臂之间的移相角来调节输出电压。

与传统谐振电路以及常规的全桥PWM变换器相比，移相控制PWM ZVS全桥变换器取消了缓冲电路，利用变压器漏感与开关管结电容谐振。在不增加额外元器件的情况下，通过移相控制方式，使功率开关管实现了零电压导通，减小了开关损耗；降低了开关噪声，提高整机效率；保持了恒频控制，采用PWM方式进行控制。但它也存在着如下的缺点：

1）滞后臂在轻载条件下将失去零电压开关功能

2）输出整流管为硬开通，开关损耗较大

3）存在占空比丢失问题

4）原边有较大环流，系统通态损耗大

5）存在占空比丢失的问题

6）副边整流二极管存在反向恢复问题，整流电压Ur出现振荡，二极管反向电压出现尖峰。这种由整流二极管反向恢复问题而引起的损耗严重限制了直流电源效率的提高。

7）输入电压和变换器效率存在矛盾。

2 LLC串联全桥谐振变换器原理

2.1 LLC电路结构及特点

为了提高软开关变换器的性能，特别是实现整流二极管软开关、解决二极管反向恢复问题、实现零到全负载范围内开关管的ZVS，学术界提出了LLC谐振变换器。图2-1所示为其全桥电路的拓扑结构图。

考虑到该谐振变换器一般用在几十甚至上百赫兹的开关频率条件下，因此选用PowerMOSFET作为开关器件。从电路结构上看，T1T2T3T4构成全桥逆变电路，Lr、Lm、Cr构成串联谐振环节，在高频变压器的二次侧接一二极管全波整流电路并在负载两端并联滤波电容Cf。从驱动上看，T1和T4采用同一驱动信号，T2、T3采用同一驱动信号，占空比均为50%。但必须注意两驱动脉冲之间需设置死区，这样做一方面避免了同一桥臂上下两关同时导通，另一方面也是实现开关管ZVS的必然要求。对比移相全桥软开关变换器可以发现，LLC串联谐振全桥DC/DC 变换器的主要特点如下：

1）在谐振网络中增加了一个谐振电容Cr，由于Cr串联在变压器的原边，实际上也起到隔直作用，使变压器不容易饱和。

2）变压器T原边增加了电感Lm，这是LLC串联谐振变换器与传统串联谐振变换器的主要区别。

3）副方滤波网络没有滤波电感Lf。由于变压器原方电感Lm较大，可以起到滤波作用，故可以省略Lf，以减小变换器体积和重量。

2.2 LLC全桥谐振变换器主开关管实现ZVS的条件

正如前文所述，LLC全桥谐振变换器多用于极高开关频率的场合，主功率管选用PowerMOSFET，因此必须使其工作在软开关状态下，才能减小开关损耗，提高变换器的效率。软开关通常分为ZVS和ZCS，对于PowerMOSFET，在硬开通条件下，开关损耗主要是由开通损耗引起，因此对于LLC全桥谐振变换器，应该工作于ZVS导通条件下，这样在器件开通前，漏极和源极之间的电压先降为零，输出电容上储存能量很小，可以大大降低MOSFET的开通损耗。

当开关管互补对称驱动且并联电容与主电路谐振电容数值相差较大时，谐振变换器实现ZVS和ZCS条件，基本上可以由谐振网络输入阻抗的性质确定。图2-2所示为谐振网络阻抗性质与软开关条件的关系。

当谐振网络输入阻抗Zin为感性时，输入电流ir滞后于输入电压Vs角度φ，在主开关管被驱动之前，其寄生二极管已经导通，主开关管两端电压被箝位至零，故主开关管为ZVS，而驱动信号被撤走时，主开关管中还流过电流，故为硬关断；当谐振网络输入阻抗Zin为容性时，输入电流ir超前于输入电压Vs角度φ，在主开关被驱动之前，由于同一桥臂另一开关管的寄生二极管已经导通，主开关管两端电压被箝位至输入电压Vin，故为硬开通，而驱动信号被撤走时，主开关管中电流为零，谐振电流流过寄生(反并)二极管，故主开关管为ZCS。下表1直观地总结了上述观点。

变换器工作在感性区仅是MOSFET ZVS的必要条件，而非充分条件。因为在各个桥臂的中点还存在着寄生电容，而这些寄生电容在死区过渡时间里需要进行充电和放电。为了保证实现ZVS，必须在驱动信号之间加入适当的死区Td，使得在死区过渡时间内，寄生电容及结电容能够充分放电。

下面在死区已经符合要求的前提下，讨论开关管ZVS的条件。

图1-4 移相控制PWM ZVS全桥变换器

图2-1 LLC串联全桥谐振变换器

图2-2 谐振网络阻抗性质与开关管ZVS、ZCS关系

表1

综上所述，要实现LLC主开关管ZVS开通，必须同时满足两个条件：一是要使谐振网络呈感性，即使开关频率f满足fm

2.3 整流二极管ZCS的实现与反向恢复问题的解决

由2.2节分析可知，当工作频率f在f>fs的情况下可以实现开关管ZVS，记这一工作频率区间为区域1；同样，在fm

由上所述，当工作在区域2时，D5、D6电流断续，因而实现了ZCS开关，降低了开关损耗，从而提高了变换器的效率。这与移相PWM变换器相比又是一个巨大的优势。综合2.2和2.3所述，统筹考虑主开关管实现ZVS，整流二极管实现ZCS，应当使变换器工作频率满足fm

2.4 LLC谐振变换器宽输入电压范围分析

正如上文所述，移相全桥PWM ZVS变换器在输入电压较高时，占空比小，原边环流能量较大，变换器效率较低，为了取得较高效率，通常只能将其设计在输入电压较低占空比较大时工作，这对于有掉电维持时间限制的开关电源是不适合的。而LLC谐振全桥变换器则有着较宽的输入电压范围可以解决这个问题，具体分析如下。

LLC电路具有两个谐振频率，分别是Lr和Cr的谐振频率fs和Lr、Cr再加上Lm的谐振频率fm。变换器的谐振频率在fs和fm两者间切换，正是因为谐振网络可以以fm频率谐振，使得可以在一定时间内维持变压器原边电流为零，从而实现整流二极管的ZCS。但是这也使得负载能量只能由副边整流电容Cf储能提供，降低了变换器的效率。通过数学推导可以得到以下结论：

当输出电压Vo一定时，输入电压Vin越大，变换器以fm谐振持续的时间就越短，因此变换器的效率就越高。这一特性与传统移相全桥PWM ZVS变换器的效率特性正好相反，适用于高输入电压场合和有掉电维持时间限制的直流变换器。这一特性，使LLC变换器可以将输入电压高的情况设计为正常工况，以取得较高的工作效率，当出现输入电压掉电时，通过降低开关频率，仍然可以维持输出电压的恒定，代价仅仅是变换器效率下降，而不会影响对负载供电。这是LLC谐振变换器的一大优越性能。

3 半桥LLC谐振变换器和三电平LLC谐振变换器简介

近年来LLC电路得到广泛的重视和飞速的发展。提出了一系列电路拓扑，各个拓扑间既有联系又有区别，因此分类方法也多种多样。在这里大致将其分为两电平LLC电路和三电平LLC电路两大类。每一大类又分别包含了全桥式和半桥式两小类。本文第二章详细分析了两电平全桥式LLC谐振变换电路，对其主开关管ZVS、整流二极管ZCS、宽输入电压范围等优越性能作了简单的叙述。因此，这里只对两电平半桥式LLC和三电平LLC作一简介。

3.1 两电平半桥式LLC谐振变换器

如图3-1所示为两电平半桥式LLC谐振变换拓扑

半桥式LLC拓扑结构在性能上与全桥式LLC有着很大的相似性，都有两个谐振频率fs和fm，也是通过使开关频率f满足fm

图3-1 两电平半桥式LLC谐振变换器

图3-2 三电平LLC谐振变换器

图3-3 复合式全桥三电平LLC谐振变换器

3.2 三电平LLC谐振变换器

如图3-2所示为三电平LLC谐振变换器电路图。该电路结构结合了三电平技术和半桥LLC串联谐振变换器各自的特点，使其兼有三电平变换器和LLC谐振变换器的优点。具体而言，该电路可以在全负载范围内实现主开关管的ZVS和整流二极管的ZCS，将变换器损耗降到最小，且整流二极管电压应力仅为输出电压，在较宽的输入电压范围内取得较高的效率,非常适用于宽输入电压范围下的应用场合。同时，采用了三电平技术则可以使开关管上的电压应力降低为输入电压的一半，可以很好地解决输入电压过高而不容易选择开关器件的问题，可以使用在更大功率场合之中。

但是与普通LLC谐振变换器相比，三电平电路结构也带来设计上的困难，其输入输出电压增益与开关频率、负载之间的关系不甚明晰，并且有四个开关管驱动脉冲死区时间需要设计，难度较大，成为工业应用推广上的一大障碍。但是随着技术的不断进步，三电平LLC依然有着广阔的应用前景。

3.3 复合式全桥三电平LLC谐振变换器

3.2所述三电平LLC谐振变换器综合了三电平技术和LLC谐振变换器的优点，有文将三电平技术同两电平技术以及LLC谐振变换器共同的优点结合起来，提出复合式全桥三电平LLC谐振变换器，其电路图如图3-3所示。

该电路两个桥臂开关管数目不同，Q1、Q2、Q3、Q4构成三电平桥臂，Q5、Q6构成两电平桥臂。Q2、Q3、Q5、Q6采用移相控制方式，Q2、Q3为超前管，Q5、Q6为滞后管。Q1和Q4相对于Q2和Q3进行PWM控制。当输入电压较低时，Q1和Q4斩波工作，Q2、Q3与Q5、Q6之间有一个较小的固定相位差，将Q2、Q3实现ZVS和Q5、Q6实现ZVS分离开来。A、B两点间电压为三电平波形，输出电压由斩波管的占空比来调节，称之为三电平模式。当输入电压较高时，Q1和Q4的脉宽减小到零，Q2和Q3与Q6和Q5移相工作，即通过调节两者之间的移相角来调节输出电压，此时A、B两点间电压为三电平波形，称之为两电平模式。

由于该电路特殊的结构，使之兼有三电平技术、两电平技术以及LLC谐振变换器的特点，总结如下：电路结构较三电平全桥LLC谐振变换器简单；可以在很宽的输入电压范围内高效工作，适合于宽输入电压范围的应用场合；三电平桥臂开关管电压应力仅为输入电压的一半；两电平桥臂开关管电压应力为输入电压；输出整流二极管实现ZCS，而且其电压应力仅为输出电压；可以在全负载范围内实现ZVS。

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.07.048

1.陈邦杰.（1990.1.9-）.男，汉族，籍贯：安徽省明光市，工学学士，单位：安徽电力寿县供电有限责任公司；

2.关振亚（1990.5.7-）.男，汉族，籍贯：安徽省淮南凤台，学位：工学学士，工作单位：安徽电力金寨供电有限责任公司。