1、LLC 電路拓?fù)?/p>

LLC 電路是由 2 個(gè)電感和 1 個(gè)電容構(gòu)成的諧振電路，故稱之為 LLC。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù) MOS 管的配列可以分為半橋或全橋類型。2 個(gè)電感分別為變壓器一次側(cè)漏感 (Lr) 和勵(lì)磁電感(Lm)，電容為變壓器一次側(cè)諧振電容(Cr)。LLC 電路通過諧振能夠?qū)崿F(xiàn) MOS 管的軟開 (soft switching)，減少開關(guān)損耗。另外 MOS 管的通態(tài)損耗也很低，換言之產(chǎn)生的焦耳熱也少，這樣就可以不額外使用散熱片進(jìn)行散熱。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，LLC 電路被廣泛使用在 DC/DC Converter 中。

為了方便后面的說明，我們先來簡化一下電路。我們從 Lm 兩端看去，把變壓器、二次側(cè)全橋整流、濾波電容及負(fù)載看成一個(gè)整體，統(tǒng)稱為負(fù)載 Ro，那么上面的電路可以簡化為下面這種形態(tài)。

假設(shè) MOSFET 的開關(guān)頻率為，Lr 和 Cr 的諧振頻率為，Lr 和 Lm 和 Cr 三者的諧振頻率為，則有：

根據(jù)、、三者的關(guān)系，LLC 的工作狀態(tài)會有 3 種。

①時(shí)，LLC 工作在 Lr 和 Cr 諧振狀態(tài)，此時(shí)稱為 LC 諧振，一次側(cè) MOSFET 雖然能實(shí)現(xiàn)軟開，但二次側(cè)二極管工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 (Continuous Conduction Mode, CCM)，無法實(shí)現(xiàn)軟開；

②時(shí)，LLC 工作在 Lr、Lm、Cr 諧振狀態(tài)，此時(shí)稱為 LLC 諧振，一次側(cè)二次側(cè)均能實(shí)現(xiàn)軟開；

③時(shí)，一次側(cè) MOSFET 工作在容性領(lǐng)域（即電路的容抗 > 感抗，電壓滯后電流），此時(shí) MOSFET 為 ZCS，相較于 ZVS 開通損失很大。

注：LLC 的 ZVS 軟開僅針對 MOS 管的導(dǎo)通，MOS 管關(guān)斷時(shí)均為硬開，不過由于寄生電容的存在，此時(shí)硬開損失較小。

本文主要介紹狀態(tài)②下的 LLC 工作原理。在這之前先簡單介紹一下什么是軟開。

2、軟開 (soft switching)

MOSFET 在進(jìn)行開關(guān)的時(shí)候，其開關(guān)損失，這時(shí)叫做硬開 (hard switching)。為了減少這種損失，我們會在開關(guān) MOSFET 時(shí)，盡量保證或任意一方為 0，這樣就為 0。電壓為 0V 時(shí)的軟開叫做ZVS(Zero-voltage switching)，而電流為 0A 時(shí)的軟開叫做ZCS(Zero-current switching)。硬開和軟開時(shí)的損失比較如下圖所示 http://www.kobe-kosen.ac.jp/~michi/akamatsu/1/ ![[Pasted image 20241218000145.png]] 左側(cè)：硬開關(guān)損失 右側(cè)：軟開關(guān)損失

然而，軟開并不是就完全沒有損失。對于理想軟開，如下面左圖所示，電壓和電流能夠瞬變，此時(shí)兩者沒有重疊部分，損失為 0。然而實(shí)際情況如下面右圖所示，電壓和電流不可能完成瞬變，兩者會出現(xiàn)重疊部分，也就必然會存在一定的損失。

我們將 MOSFET 由 OFF→ON 所需時(shí)間記為，ON→OFF 所需時(shí)間記為，把電壓和電流的變化看作線性變化，則 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的損失為：

同理可得 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的損失為：

因此，一個(gè)周期內(nèi) MOSFET 的開關(guān)損失為：

3、LLC 電路工作原理

接下來開始說明一個(gè)周期內(nèi) LLC 的工作原理以及 LLC 是如何實(shí)現(xiàn)軟開的。我們將四個(gè) MOSFET 分別叫做 Q1~Q4，它們各自的寄生二極管以及寄生電容分別叫做 D1~D4、C1~C4。紅實(shí)線為負(fù)載電流（進(jìn)行電力變換的電流），藍(lán)虛線為勵(lì)磁電流（用來生成磁場的電流）。

Mode ① Q1/Q4 導(dǎo)通，Q2/Q3 關(guān)斷

Q1/Q4 導(dǎo)通、Q2/Q3 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流的路徑為電源→Q1→Lr→Ro→Cr→Q4→電源，勵(lì)磁電流的路徑為電源→Q1→Lr→Lm→Cr→Q4→電源，此時(shí) Cr 充電。當(dāng) Lr 和 Cr 的諧振結(jié)束后，進(jìn)入 Mode ②。

注意：為方便說明，此處的 Mode ①其實(shí)并不是指完整的 Mode ①，因?yàn)槭÷粤藙?lì)磁電流的負(fù)半周期。完整的 Mode ①詳細(xì)請參考 Mode ⑤，這倆是一回事，只是方向相反而已。

Mode ② Q1/Q4 導(dǎo)通，Q2/Q3 關(guān)斷，諧振結(jié)束

Lr 和 Cr 的諧振結(jié)束后，負(fù)載電流降為 0，此時(shí)電路里僅有勵(lì)磁電流。當(dāng) Q1/Q4 關(guān)斷時(shí)，進(jìn)入 Mode ③。需要注意，此時(shí)會有關(guān)斷損失產(chǎn)生，但由于 Vds1 和 Vds4 是緩慢上升（因?yàn)榇藭r(shí) C1 和 C4 開始充電，詳細(xì)參考 Mode ③），關(guān)斷損失較小。

Mode ③ Q1/Q4 關(guān)斷，Q2/Q3 關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間

為了防止 Q1/Q3 和 Q2/Q4 同時(shí)導(dǎo)通（此時(shí) LLC 相當(dāng)于短路，大電流會燒壞 MOSFET），在切換 Leg 的時(shí)候會特意設(shè)置一個(gè)延遲時(shí)間，這就是死區(qū)時(shí)間 (Dead time)，此時(shí) 4 個(gè) MOSFET 均關(guān)斷。在這期間，C1 和 C4 開始充電，Vds1 和 Vds4 升高；C2 和 C3 開始放電，Vds2 和 Vds3 下降。當(dāng) 4 個(gè)電容的充放電完成后，進(jìn)入 Mode ④。

Mode ④ Q1/Q4 關(guān)斷，Q2/Q3 關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間，電容充放電完成

當(dāng) C1~C4 的充放電完成后，Vds1 和 Vds4 升至電源電壓，而 Vds2 和 Vds3 降至 0V。同時(shí)，因?yàn)閯?lì)磁電感的存在，勵(lì)磁電流并不會馬上降為 0。此時(shí)電路里僅有勵(lì)磁電流，其路徑為Lm→Cr→D2→電源→D3→Lr→Lm。當(dāng) Q2/Q3 導(dǎo)通時(shí)，進(jìn)入 Mode ⑤。因?yàn)?Q2/Q3 導(dǎo)通時(shí) Vds2/Vds3 均為 0V，所以這是ZVS，MOS 管實(shí)現(xiàn)軟開。

Mode ⑤ Q1/Q4 關(guān)斷，Q2/Q3 導(dǎo)通

Q1/Q4 關(guān)斷、Q2/Q3 導(dǎo)通時(shí)，LLC 進(jìn)入后半周期（后半周期和前半周期一模一樣，只是方向相反而已），其負(fù)載電流的路徑為電源→Q2→Cr→Ro→Lr→Q3→電源。勵(lì)磁電流先維持一段時(shí)間 Mode ④的路徑 Lm→Cr→D2→電源→D3→Lr→Lm，待降為 0A 后反向，變成電源→Q2→Cr→Lm→Lr→Q3→電源（此過程可以參考波形圖）。諧振電容 Cr 的電位會與前半周期相反，Cr 開始放電。當(dāng) Lr 和 Cr 的諧振結(jié)束后，進(jìn)入 Mode ⑥。

Mode ⑥ Q1/Q4 關(guān)斷，Q2/Q3 導(dǎo)通，諧振結(jié)束

Lr 和 Cr 的諧振結(jié)束后，負(fù)載電流降為 0，此時(shí)電路里僅有勵(lì)磁電流。當(dāng) Q2/Q3 關(guān)斷時(shí)，進(jìn)入 Mode ⑦。跟 Q1/Q4 關(guān)斷時(shí)一樣，此時(shí)也會有關(guān)斷損失產(chǎn)生，但由于 Vds2 和 Vds3 是緩慢上升（因?yàn)榇藭r(shí) C2 和 C3 開始充電，詳細(xì)參考 Mode ⑦），關(guān)斷損失較小。

Mode ⑦ Q1/Q4 關(guān)斷，Q2/Q3 關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間

Q2/Q3 關(guān)斷后再次進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，此時(shí) C2 和 C3 開始充電，Vds2 和 Vds3 升高；C1 和 C4 開始放電，Vds1 和 Vds4 下降。當(dāng) 4 個(gè)電容的充放電完成后，進(jìn)入 Mode ⑧。

Mode ⑧ Q1/Q4 關(guān)斷，Q2/Q3 關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間，電容充放電完成

當(dāng) C1~C4 的充放電完成后，Vds2 和 Vds3 升至電源電壓，而 Vds1 和 Vds4 降至 0V。同時(shí)，因?yàn)閯?lì)磁電感的存在，勵(lì)磁電流并不會馬上降為 0。此時(shí)電路里僅有勵(lì)磁電流，其路徑為Lm→Lr→D1→電源→D4→Cr→Lm。當(dāng) Q1/Q4 導(dǎo)通時(shí)，進(jìn)入 Mode ①。因?yàn)?Q1/Q4 導(dǎo)通時(shí) Vds1/Vds4 均為 0V，所以這是ZVS，MOS 管實(shí)現(xiàn)軟開。

至此，LLC 一個(gè)動(dòng)作周期完成。