高效率开关电源的原理及特点研究

田进荣

摘要：电源作为工业时代的重要产品，可以为各种电子设备提供功率和电能，是整个电子设备系统的动力之源，开关电源作为电源中的后起之秀，使用周期长，耗能低，易控制，优势明显。随着开关电源应用的发展，高效率、高功率密度开关电源更让人青睐。本文将探讨并举例说LLC开关电源的原理及相关特点。

关键词：LLC开关电源;原理;特点

一、引言

随着电子信息时代的到来与快速发展，电子设备越来越常见在人们的生活各种领域之中，给人们生活以及生产带来了巨大的改变，组成了现今生产之中的主要能动力来源，对社会生产力的发展起到非常重要的作用。电子设备离不开电源，所有的电子设备需要电源提供设备运行所需的能量。传统的线性调整电源曾长期占据市场并发挥着重大作用，但其缺点也较为明显，比如线路中的阻抗大，损耗也大，而开关电源中的开关过程耗能较少，并且前者是模拟控制，后者是数字控制。由于以上的原因，开关电源后来居上，随着开关电源发展对高效率、高功率密度的需求，LLC开关电源在当前市场中占有了很重要的地位，应用的前景也非常的光明，所以未来预期非常强，做好LLC开关电源的研究，能够在未来的竞争之中取得很好优势。

二、开关电源的构成

从器件上来看，开关电源主要包括的是储能器件以及开关器件。储能器件包括电容以及电感等，开关器件包括MOS管，IGBT，三极管等。在工作时，需要输入交直流电压，输出相关设备所需要的电流或电压。因此其本质是一种电压与电流的转化装置。

从组成部分来看，开关电源由四部分组成，其中首先是主功率电路，主要承担电能的转换与输送，其次就是控制电路，结合取样反馈参数控制主功率电路的输出稳定。再次就是检测反馈电路，对主功率电路中各个参数的监测与进行取样反馈，获取主功率电路的各项数据，进而判断确定是否进行电源的保护措施，来保证电源的正常运行。最后就是辅助供电电源（启动电源、供电）。

三、开关电源的工作原理

开关电源的工作过程很容易理解。在线性电源中，功率晶体管以线性模式工作。与线性电源不同，PWM开关电源使功率晶体管在导通和截止状态下工作。在这两种状态下，添加到功率晶体管的V-A乘积很小（在导通状态下，电压低且电流大;在关断状态下，电压高）;关闭时，电压高而电流低），并且功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上的损耗。

与线性电源相比，通过将输入直流电压斩波成幅度等于输入电压幅度的脉冲电压，可以使PWM开关电源的工作过程更加有效。脉冲的占空比由开关电源的控制器调节。一旦输入电压被切成交流方波，就可以通过变压器增加或减小其幅度。可以通过增加变压器次级绕组的数量来增加输出电压。最后，对这些交流波形进行整流和滤波以获得直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性控制器相似。换句话说，控制器的功能块，参考电压和误差放大器可以设计为与线性稳压器相同。它们之间的区别在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率晶体管之前先经过电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源的主要工作模式有很多：正激转换器，反激转换器，降压转换器，桥式转换器和推挽式转换器。尽管每个部分的布局差异不大，但工作过程却大不相同，并且每個部分在特定应用中都有自己的优势。与高效率和高功率密度相比，LLC谐振软开关电源具有明显的优势。

四、LLC谐振软开关电源

近年来，LLC拓扑因其高效率和高功率密度而受到大多数设计人员的青睐。这种软交换技术超越了任何以前的硬交换拓扑技术。

要了解LLC，我们首先必须了解软交换技术。对于常见拓扑，当MOSFET开关时，MOSFETD-S之间的电压和电流重叠，从而导致开关损耗。

提出了零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）软开关方法，以减少开关重叠。对于ZCS：在开关打开时将其电流保持为零，并在关闭之前将其减小为零。对于ZVS：在接通之前使开关管的电压降至零，在断开时使其保持零。

最早的软开关技术是通过有损缓冲电路实现的。从能量的角度来看，是将开关损耗传递到缓冲电路，以改善开关的工作条件。这种方法不会提高转换器的效率，甚至不会降低效率。目前，软开关技术不再使用有损缓冲电路，该技术真正降低了开关损耗，而不是损耗转移，这是谐振技术。谐振转换器分为全谐振转换器，准谐振转换器，零开关PWM转换器和零转换PWM转换器。全谐振变换器的谐振元件始终处于谐振状态，而准谐振变换器的谐振元件仅参与能量转换的一个阶段，而不是整个过程。零开关PWM转换器在准谐振的基础上增加了一个辅助开关，以控制谐振元件的谐振过程。零转换PWM转换器的辅助谐振电路仅在开关接通和断开时工作一段时间，而在其他时间停止工作。

全谐振变换器主要由开关网络和谐振缝隙电路组成。它使流经开关管的电流变为正弦波而不是方波，然后试图使开关管在特定时间导通，以实现零电压或零电流切换。

对于LLC，通常在电流为负时打开开关。在接通之前，电流流经开关管内部的二极管，并且D-S开关之间的电压被钳位在0V（忽略二极管的压降）。在关闭之前，D-S之间的电容器电压为0V，并且不能突然改变，因此接近于零电压关闭。

从以上分析可以看出，为了实现ZVS，开关电压必须滞后于电流。因此，有必要使谐振通道一直处于感应状态。

五、LLC谐振软开关电源原理及应用

1谐振参数分析

1.1电路拓扑

图1为LLC型串并联半桥谐振变换器电路，主开关管S1和S2是固定0.5占空比互补导通，Lr、Cr与变压器的并联电感Lm构成LLC谐振网络，整流二极管直接连接到输出电容上。

LLC谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区。这种变换有两个谐振频率。一个是Lr和Cr的谐振点，另外一个谐振点由Lm，Cr以及负载条件决定。负载加重，谐振频率将会升高。这两个谐振点的计算公式如下：

为了获得最大效率，在设计电路时，有必要将工作频率设置在FR1附近。在这些谐振器中，FR1是Cr和LR的串联谐振频率，主要是在工作过程中，随着电压的不断降低，以确保其工作频率可以稳定，从而获得更大的收益并完成收益。对于当前的谐振频率。当负载或输入电压发生变化时，可以通过选择适当的谐振模式来实现LLC谐振变换

在实际情况下，LLC半桥电路的开关动作与半桥电路的开关动作没有太大区别，但是当使用LLC半桥谐振电路时，由于增加了上下MOSFET，可以实现零电压开路，以确保达到预期的效果。

通常，LLC半桥谐振电路的开关动作与半桥电路的开关动作相同，但是由于增加了谐振腔，LLC半桥谐振电路中的上，下MOSFET的工作方式有很大不同，这可以实现MOSFET的零电压导通。工作波形如下：

图2是理想的半桥谐振电路的工作波形。在图中，vgs1和vgs2分别是Q1和Q2的驱动波形，IR是谐振电感LR电感电流波形，IM是变压器漏感LM电流波形，Id1和Id2分别是次级侧输出整流二极管的波形，ids1是Q1的导通电流。波形图根据工作状态分为六个阶段。以下是LLC谐振电路各状态及工作状态的详细分析

T0〜T1：Q1关，Q2开;此时，谐振电感上的电流为负，并流向Q2。在此阶段，变压器的漏感不参与谐振，Cr和LR构成谐振频率，输出能量来自Cr和LR。此阶段以Q2关闭结束。下面的图3显示了在t0〜T1工作阶段中LLC半桥谐振电路的每个组件的工作状态。

T1〜T2：Q1关闭，Q2关闭;这是半桥电路的死区时间，谐振电感上的电流仍然为负。谐振电流使Q1的输出电容器（COS）放电并使Q2的输出电容器（COS）充电，直到Q2的输出电容器的电压等于输入电压（VIN），从而为下一次接通零电压创造了条件。Q1的传导。由于Q1晶体管正向偏置，而Q2晶体管正反向偏置，所以两个电感器上的电流相等。输出电压高于变压器的次级侧电压，D1和D2处于反向偏置状态，因此输出端子与变压器分离。在此阶段，LM，LR和Cr共同参与共振。随着Q1的打开，T1〜T2相结束。图4显示了LLC半桥谐振电路的每个组件在T1〜T2工作阶段的工作状态。

T2〜T3：Q1打开，Q2关闭（一旦Q1的输出电容器放电至零）。此时，谐振电感上的电流仍为负，并且电流通过Q1的二极管流回到输入（VIN）。同时，输出整流二极管（D1）导通以为输出提供能量。在此阶段，变压器的漏感（LM）不断充电。只有LR和Cr参与共振。一旦谐振电感器LR上的电流为零，则T2-T3相结束。下面的图5显示了LLCT2〜T3工作阶段中LLC半桥谐振电路的每个组件的工作状态。

T3〜T4：此阶段从谐振电感器LR电流变为负到正，Q1导通，Q2关断，T2导通〜T3相同谐振电感器电流开始从输入端通过Q1流到地。变压器的漏感LM由该电流充电，因此只有LR和Cr参与谐振。输出仍由D1供电。Q1关闭时，T3〜T4相结束。图2-6显示了LLCT3〜T4工作阶段中LLC半桥谐振电路各组件的工作状态。

T4〜T5：Q1关闭，Q2关闭;这是半桥电路的停滞时间。此时，谐振电感器电流对Q1的输出电容充电，对Q2的输出电容放电，直到Q2的输出电容电压为零，并且Q2的二极管导通，为零电压导通创造了条件。第二季度。在此期间，变压器的次级侧与初级侧分离，如T1〜T2所示。在空载时间内，变压器漏感LM参与谐振。此阶段以Q2的开头结束。下图7显示了T4〜T5工作阶段LLC半谐振电路各组件的工作状态。

T5〜T6：Q1断开，Q2接通。由于T4〜T5中Q2的输出电容器已放电至零，因此T5〜T6中Q2的导通电压为零。能量由谐振电感器LR通过Q2提供，而输出端由D2提供。此时，LM不参与LR和Cr的共振。该阶段以谐振电感器LR电流变为零而结束，并且重复t0〜T1状态。下面的图8显示了LLC半桥谐振电路在T5〜T6工作阶段中每个组件的工作状态。

从上述工作状态可以看出，除了Q1和Q2死区时间外，大多数情况下，电路可以在由LR和Cr组成的更高谐振频率下工作。在这种情况下，变压器的漏感被输出电压钳制，因此将以LR，CR串联谐振腔的负载形式存在，并且不会参与整个谐振过程。由于这种无源负载，LLC谐振转换轻负载稳压器不再需要非常高的频率。而且，由于这种无源LM负载，它可以在任何负载条件下工作在零电压开关状态。

1.2参数影响

LLC谐振变换器是在串联/并联谐振变换器的基础上改进而来，由于较前两者多了一个谐振元件其设计运用也变得复杂。根据交流分析法得到LLC谐振变换器的输入输出特性为

1.2.1k值的影响

对于具有固定输入/输出和功率的转换器，匝数比n是固定的。如图9（a）所示，在某个Q值下，不同K值的影响：随着K值的增加，最大增益减小，并且在低输入电压下可能无法达到所需的输出电压，并且K值的增加，最大增益减小，为保证所需的输出电压，转换器的工作频率范围变宽，不利于磁性元件的工作。但是，K越小，LM就越小。LM两端的电压是固定的。峰值电流随着电感的减小而增加。当初级侧开关断开时，励磁电感器的峰值电流流过，并且存在很大的断开损耗。但是，如果关断电流太小，则会影响零电压导通零电压导通和较小的关断电流。

1.2.2Q值的影响

在确定了n和k值的情况下，Q值的大小直接关系到直流增益是否足够大。对于特定的输入电压范围Q值越小，所对应的开关频率范围越小（对于f0<f<fr这种工作模态而言），这样有助于磁性元件的工作;但对于确定了的Lm和Lr，Q越小Cr越大，谐振腔的阻抗变小，使得变换器的短路特性变差，在负载较重的时候尽量选择较小的Cr以达到要求的输出电压。

2电路分析

当开关频率f<f0时可知谐振网络呈容性状态，不利于开关管的ZVS开关，就不展开讨论了，下面先以开关频率范围f0<f<fr來分析LLC谐振电路的工作过程。

在f0<f<fr频率范围内变换器会因负载不同，其工作过程也有所不同，当电路工作在f0<f<fr范围内时Lr与Cr等效成一容Ceq，整个谐振腔等效为Lm和负载并联再与Ceq，谐振腔阻抗到底呈感性还是容性就要根据频率和负载的轻重（Q值大小）而定。运用Saber软件对LLC半桥谐振变换器在进行仿真，并进行模态分析。变换器Vin=270V，Vo=360V，额定功率500W，其中谐振网络参数如下：Lr=27.4μ，Lm=137μ，Cr=92.4n。

2.1不同负载下的仿真与分析

2.1.1满载

满载情况下的模态分析及仿真波形分别如图10及图11所示。

Model（t0～t1）：t0时刻S2关断，谐振电流对C2、C1（分别为S2、S1的寄生电容）充放电，S1端電压开始下降，当降为零时S1的体二极管导通，为S1的ZVS创造条件。变压器原边电压为上正下负，D1和D4导通，Lm两端电压被箝位为nVo，iLm线性上升，谐振只发生在Lr和Cr之间，Lm未参与谐振。

Mode2（t1～t2）：t1时刻ZVS开通，谐振电流以正弦形式流经S1。流过D1的电流为ir与iLm之差折合到副边的值，由于T>Tr，ir经过半个周期谐振之后S1仍开通，当ir下降到iLm时流过D1和D4电流为零，实现了整流二极管的ZCS关断。

Mode3（t2一t3）：D1和D4ZCS关断后变压器原副边完全脱开，谐振网络不再向副边传输能量，Lm便不再被箝位于nVO，Lm与Lr、Cr一起谐振，由于Lm较Lr大得多，此时的谐振周期明显变长，近似认为ir保持不变。t3时刻S1关断。

下半个周期的分析与上述过程对称，这里就不再详述了。

从模态分析可见整个工作过程中包括了两个谐振过程，一个是Lr和Cr的谐振，另一个则是Lm与Lr、Cr一起谐振。

2.1.2轻载

当负载变轻时，谐振电容上的电压变低，如果其两端电压降到满足条件

副边整流二极管将不会导通。从ir和iLm的波形可以看出，向副边传输的能量相对较小，原边有较大环流存在，这使得变换器在轻载时损耗较大，然而也正因为较大的环流保证了开关管在较轻载时也能实现零电压开关，如图12所示。

2.1.3过载

负载过重时谐振电容两端电压纹波较大，当满足条件时，其工作过程较满载情况下有所不同，在谐振电流ir下降到等于iLm后由于有太多的能量存储在谐振电容上，较高的VCr会使整流二极管导通，进入另一个谐振过程。从图13（a）的ir和iLm波形可见这个谐振过程开关管的关断电流（即为ir的一部分）很小，小于iLm，会使另一MOS管的开通失去零电压开通的条件，如图13（b）所示，谐振回路呈容性。

从上面的仿真分析可知，当频率一定时负载越重桥臂中点间阻抗越易呈容性，负载越轻则易呈感性，更有利于开关管的零电压开关。

2.2与f>fr时的比较

当开关频率为F0<f<fr时，谐振网络为感性网络，这有助于导通开关管的ZVS，并且次级侧整流二极管的电流在该频率范围内是断续的，从而实现了零电流将整流二极管关断，并消除了反向恢复引起的损耗。

F>FR的差异在于，在S2的接通期间中，LR和Cr的谐振电流IR大于励磁电流ILM，并且当S1断开IR时，C1和C2的充放电IR降低。当s2zvs打开时，IR迅速减小，直到IR=ILM，并且没有能量传输到次级侧。此时，次级侧整流二极管完成换相并开始另一半周期对称工作过程，这表明LM没有参与谐振，这更像是普通谐振。同时，整流二极管上的电流是连续的，这将由于换向过程中的反向恢复而带来损耗。

详细分析了LLC系列并联谐振半桥变换器在F0<f<fr频率范围内的工作条件，并对三个主要负载条件进行了仿真和分析。描述了设计中的几个主要参数及其对转换器设计和应用的影响

六、展望与总结

通过上面的讨论，我们可以清楚地了解LLC软开关技术的控制模式以及相关电源的特性。从线性电源到开关电源再到软开关电源的发展无疑是科学技术的进步（降低能耗，提高电源效率，大大提高功率密度）。未来，LLC软开关电源技术将继续发展，效率将不断提高。功率密度越来越高。同时，自动控制技术的引入将使软开关电源的控制方法更加精细化和数字化，并更好地满足信息时代人们对电源控制技术的需求。

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