如何實現(xiàn)LLC諧振拓撲軟開關(guān)？

LLC有哪些特點?

1. LLC 轉(zhuǎn)換器可以在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

2. 能夠在輸入電壓和負載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時開關(guān)頻率變化相對很小。

3. 采用頻率控制，上下管的占空比都為50%.

4. 減小次級同步整流MOSFET的電壓應(yīng)力，可以采用更低的電壓MOSFET從而減少成本。

5. 無需輸出電感，可以進一步降低系統(tǒng)成本。

01什么是軟開關(guān)

普通的拓撲電路的開關(guān)管是硬開關(guān)的，在導(dǎo)通和關(guān)斷時MOS管的Vds電壓和電流會產(chǎn)生交疊，電壓與電流交疊的區(qū)域即MOS管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。所示：

為了降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高電源的效率，有零電壓開關(guān)(ZVS) 和零電流開關(guān)(ZCS)兩種軟開關(guān)辦法。

ZVS是開關(guān)管的電壓在導(dǎo)通前降到零，在關(guān)斷時保持為零;

ZCS是開關(guān)管的電流在導(dǎo)通時保持在零，在關(guān)斷前使電流降到零。

ZVS和ZCS都能使開關(guān)管的開關(guān)損耗極大降低，那么對于常用的MOSFET作為開關(guān)器件，要選用ZVS還是ZCS呢?

02MOSFET為什么更用ZVS

MOSFET關(guān)斷時，其Cos會起到一個Snubber的作用。該Snubber可以將 Vds和Ids錯開，如圖4，增大Cos，Vds上升如綠色波形，降低了交叉損耗，因此，MOSFET的關(guān)斷損耗通常不顯著，開通損耗更關(guān)鍵。對于MOSFET，我們通常希望在零電壓條件下開通其溝道，即實現(xiàn)ZVS，這樣可以消去其開通損耗。

03如何實現(xiàn)ZVS

如果一個正弦半波經(jīng)過一個電阻，電阻電流必定也為正弦半波，電壓與電流且同相位。如果正弦半波加到一個感性網(wǎng)絡(luò)，則電流波形將滯后電壓，當輸入電壓為0時，電流是一個負值，這個負值電流通過MOSFET的體二極管，使MOSFET的Vds電壓降低到約0.7V，如圖5，再開通MOSFET，就可以實現(xiàn)ZVS。

實現(xiàn)ZVS需要兩個條件：

1)使PWM方波電流變成正弦波形，這需要一個諧振電路;

2)諧振網(wǎng)絡(luò)的電流滯后于電壓，這需要使諧振網(wǎng)絡(luò)始終工作在感性狀態(tài);

要實現(xiàn)這兩個條件，很多諧振拓撲可以選擇，LLC有什么優(yōu)勢呢?

04為什么諧振拓撲選擇LLC

在諧振拓撲中，串聯(lián)諧振變換器(SRC)、并聯(lián)諧振變換器(PRC)和串并聯(lián)諧振變換器 LCC 和LLC是幾種常見的拓撲，為什么選擇LLC?如下我們來分析這個幾種拓撲的優(yōu)缺點。

4.1串聯(lián)諧振變換器

半橋串聯(lián)諧振變換器的電路圖如圖6，諧振電感 Lr 和諧振電容 Cr 串聯(lián)。它們形成一個串聯(lián)諧振腔。諧振腔隨后與負載串聯(lián)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，諧振腔和負載充當分壓器。通過改變輸入電壓 Va 的頻率，諧振腔的阻抗將發(fā)生變化。該阻抗將把輸入電壓與負載分開。由于它是一個分壓器，SRC的直流增益總是低于 1。在諧振頻率下，串聯(lián)諧振腔的阻抗很小;負載上的所有輸入電壓都將下降。所以對于串聯(lián)諧振變換器，最大增益發(fā)生在諧振頻率。

提高功率密度已經(jīng)成為電源變換器的發(fā)展趨勢。為達到 這個目標，需要提高開關(guān)頻率，從而降低功率損耗、系 統(tǒng)整體尺寸以及重量。對于當今的開關(guān)電源(SMPS)而 言，具有高可靠性也是非常重要的。零電壓開關(guān)(ZVS) 或零電流開關(guān)(ZCS) 拓撲允許采用高頻開關(guān)技術(shù)，可以 大限度地降低開關(guān)損耗。ZVS拓撲允許工作在高頻開 關(guān)下，能夠改善效率，能夠降低應(yīng)用的尺寸，還能夠降 低功率開關(guān)的應(yīng)力，因此可以改善系統(tǒng)的可靠性。LLC 諧振半橋變換器因其自身具有的多種優(yōu)勢逐漸成為一種主流拓撲。這種拓撲得到了廣泛的應(yīng)用，包括高端服務(wù) 器、平板顯示器電源的應(yīng)用。但是，包含有LLC諧振半 橋的ZVS橋式拓撲，需要一個帶有反向快速恢復(fù)體二極 管的MOSFET，才能獲得更高的可靠性。

在功率變換市場中，尤其對于通信/服務(wù)器電源應(yīng)用，不 斷提高功率密度和追求更高效率已經(jīng)成為具挑戰(zhàn)性的 議題。對于功率密度的提高，普遍方法就是提高開關(guān) 頻率，以便降低無源器件的尺寸。零電壓開關(guān)(ZVS)拓 撲因具有極低的開關(guān)損耗、較低的器件應(yīng)力而允許采用 高開關(guān)頻率以及較小的外形，從而越來越受到青睞 。這些諧振變換器以正弦方式對能量進行處理，開 關(guān)器件可實現(xiàn)軟開閉，因此可以大大地降低開關(guān)損耗和 噪聲。在這些拓撲中，相移ZVS全橋拓撲在中、高功率 應(yīng)用中得到了廣泛采用，因為借助功率MOSFET的等效 輸出電容和變壓器的漏感可以使所有的開關(guān)工作在ZVS 狀態(tài)下，無需額外附加輔助開關(guān)。然而，ZVS范圍非常 窄，續(xù)流電流消耗很高的循環(huán)能量。近來，出現(xiàn)了關(guān)于 相移全橋拓撲中功率MOSFET失效問題的討論。這種 失效的主要原因是：在低反向電壓下，MSOFET體二極 管的反向恢復(fù)較慢。另一失效原因是：空載或輕載情況 下，出現(xiàn)Cdv/dt直通。在LLC諧振變換器中的一個潛在 失效模式與由于體二極管反向恢復(fù)特性較差引起的直通 電流相關(guān)。即使功率MOSFET的電壓和電流處于安全工作區(qū)域，反向恢復(fù)dv/dt和擊穿dv/dt也會在如啟動、 過載和輸出短路的情況下發(fā)生。

2 LLC諧振半橋變換器

LLC諧振變換器與傳統(tǒng)諧振變換器相比有如下優(yōu)勢：

■寬輸出調(diào)節(jié)范圍，窄開關(guān)頻率范圍

■?即使空載情況下，可以保證ZVS

■?利用所有的寄生元件，來獲得ZVS

LLC諧振變換器可以突破傳統(tǒng)諧振變換器的局限。正是 由于這些原因，LLC諧振變換器被廣泛應(yīng)用在電源供電 市場。LLC諧振半橋變換器拓撲如圖1所示，其典型波 形如圖2所示。圖1中，諧振電路包括電容Cr和兩個與之 串聯(lián)的電感Lr和Lm。作為電感之一，電感Lm表示變壓器 的勵磁電感，并且與諧振電感Lr和諧振電容Cr共同形成 一個諧振點。重載情況下，Lm會在反射負載RLOAD的作用 下視為完全短路，輕載情況下依然保持與諧振電感Lr串 聯(lián)。因此，諧振頻率由負載情況決定。Lr 和Cr決定諧振 頻率fr1，Cr和兩個電感Lr 、Lm決定第二諧振頻率fr2，隨 著負載的增加，諧振頻率隨之增加。諧振頻率在由變壓 器和諧振電容Cr決定的大值和小值之間變動。