LLC諧振變換器初探

陳邦杰 關(guān)振亞

1.安徽電力壽縣供電有限責(zé)任公司；2.安徽電力金寨供電有限責(zé)任公司

LLC諧振變換器初探

陳邦杰1關(guān)振亞2

1.安徽電力壽縣供電有限責(zé)任公司；2.安徽電力金寨供電有限責(zé)任公司

本文主要介紹了軟開關(guān)的概念、主要實現(xiàn)原理；在此基礎(chǔ)上將目前較為前沿的LLC諧振變換器與傳統(tǒng)的幾類諧振變換器、PWM變換器進行比較，總結(jié)了其具有的優(yōu)勢；以全橋LLC諧振變換器為例，擇取重點，針對其實現(xiàn)主開關(guān)管ZVS的條件、整流二極管反向恢復(fù)問題的解決、寬輸入電壓范圍等典型問題進行了分析；最后，介紹了兩類典型的LLC諧振變換器拓撲，分別是半橋LLC電路、三電平LLC電路以及復(fù)合式全橋三電平LLC諧振變換器電路，對三者各自的特點進行了簡要的歸納。

LLC諧振變換器；反向恢復(fù)；拓撲；半橋；三電平；復(fù)合式

1 緒論

1.1 軟開關(guān)技術(shù)概述

伴隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀70年代以來，變換器工作頻率提高到了20kHz以上。然而，常規(guī)的DC/DC PWM功率變換技術(shù)進一步提高開關(guān)頻率會面臨許多問題。隨著開關(guān)頻率的提高，一方面開關(guān)管的開關(guān)損耗會成正比上升，使電路的效率大大降低，從而使變換器處理功率的能力大幅下降；另一方面，系統(tǒng)會對外產(chǎn)生嚴重的電磁干擾（EMI）。

為了克服上述DC/DC變換器在硬開關(guān)工作狀態(tài)下的諸多問題，軟開關(guān)技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界廣泛的重視和深入的研究。軟開關(guān)，是指在原來的開關(guān)電路中增加很小的電感、電容等諧振元件，構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，利用電路發(fā)生諧振時，電流或電壓周期性地過零點，使得開關(guān)器件在零電壓或者零電流條件下開通或者關(guān)斷，從而實現(xiàn)軟開關(guān)，達到降低開關(guān)損耗的目的。

根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程，軟開關(guān)變換器分為全諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器、PWM軟開關(guān)變換器。下面選取兩類有代表性的軟開關(guān)變換器，對其性能優(yōu)缺點做如下分析。

1.2 傳統(tǒng)諧振變換器的優(yōu)缺點

諧振變換器實現(xiàn)軟開關(guān)的核心組成部分是諧振電路，根據(jù)諧振電路與負載的連接關(guān)系，諧振電路可以分為串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路和兩者相結(jié)合的串并聯(lián)諧振電路。

圖1-1所示為半橋串聯(lián)諧振變換器基本電路，從結(jié)構(gòu)上看，諧振電容Cr和諧振電感Lr構(gòu)成串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)，并與負載與串聯(lián)的形式連接。基于此，諧振環(huán)節(jié)和負載構(gòu)成分壓器，若變換器開關(guān)頻率變化，則串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)阻抗變化，負載分壓也會發(fā)生變化。開關(guān)頻率要大于諧振頻率才能實現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）。

串聯(lián)諧振變換器優(yōu)點有：

1）串聯(lián)諧振電容起到隔直作用，避免高頻變壓器飽和；

2）諧振槽路電流隨負載的變輕而減小，因此輕載時效率較高。

而它的缺點有：

1）輕載或空載情況下，輸出電壓不可調(diào)；

2）輸出直流濾波電容須承受較大的電流脈動。

圖1-2所示為半橋式并聯(lián)諧振變換器，從結(jié)構(gòu)上看，諧振電容Cr和諧振電感Lr構(gòu)成串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)，并與負載與并聯(lián)的形式連接。同串聯(lián)諧振變換器一樣，它的開關(guān)頻率也要大于諧振頻率才能實現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）。

并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點有：

1）變換器可以工作至空載，因為輸出電壓始終與開關(guān)頻率有關(guān)；

2）由于輸出端采用大濾波電感，對濾波電容的電流脈動電流要求小，適用于低輸出電壓、大輸出電流的場合。

而它的缺點是：

1）與串聯(lián)諧振變換器相比，并聯(lián)諧振變換器的工作范圍比較小。

2）輕載時，它只要稍微增加開關(guān)頻率就可以調(diào)節(jié)輸出電壓了。對于并聯(lián)諧振變換器來說，當(dāng)負載比較輕時，電路中的循環(huán)能量比較大。由于負載是和諧振電容并聯(lián)的，當(dāng)負載為零時，就相當(dāng)于只有諧振元件在參與工作，這時候的阻抗小，循環(huán)能量比較高。

3）諧振槽路電流基本與負載輕重?zé)o關(guān)，因此開關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，變換器在輕載時的效率較低，只能適用于輸出電壓范圍較窄和額定功率處負載相對恒定的場合。

圖1-3所示為半橋式串并聯(lián)諧振變換器，它可以被看做是在并聯(lián)諧振變換器的基礎(chǔ)上，給串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)多串接一個諧振電容Cs。因此，串并聯(lián)諧振變換器兼有串聯(lián)、并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點。

其優(yōu)點有：

1）當(dāng)負載為額定時，變換器呈現(xiàn)串聯(lián)諧振變換器的特性；

圖1-1 半橋串聯(lián)諧振變換器

圖1-2 半橋式并聯(lián)諧振變換器

圖1-3 半橋式串并聯(lián)諧振變換器

2）當(dāng)負載變輕時偏向并聯(lián)諧振變換器的特性，其諧振槽路電流能隨負載變化因而工作效率高，同時通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。

其缺點為：

變壓器原邊漏感無法參加諧振，造成變壓器電壓電流存在較大的相位差，導(dǎo)致諧振回路中無功電流增加，通態(tài)損耗也增加。

以上所述的三種電路中的諧振環(huán)節(jié)全程參與能量變換過程，并且通過脈沖頻率調(diào)制的方法來調(diào)節(jié)輸出電壓，這就使得電源的輸入濾波器、輸出濾波器的設(shè)計復(fù)雜化，并影響系統(tǒng)的噪聲。為了克服這些制約，PWM軟開關(guān)變換器應(yīng)運而生，它通過調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，屬恒頻控制，控制方法簡單。下面具體分析其中的代表性變換器——移相控制PWM ZVS全橋變換器。

1.3 移相控制PWM ZVS全橋變換器的優(yōu)缺點分析

如圖1-4所示為移相控制PWM ZVS全橋變換器，其電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性PWM變換器類似。通過調(diào)節(jié)超前臂和滯后臂之間的移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓。

與傳統(tǒng)諧振電路以及常規(guī)的全橋PWM變換器相比，移相控制PWM ZVS全橋變換器取消了緩沖電路，利用變壓器漏感與開關(guān)管結(jié)電容諧振。在不增加額外元器件的情況下，通過移相控制方式，使功率開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通，減小了開關(guān)損耗；降低了開關(guān)噪聲，提高整機效率；保持了恒頻控制，采用PWM方式進行控制。但它也存在著如下的缺點：

1）滯后臂在輕載條件下將失去零電壓開關(guān)功能

2）輸出整流管為硬開通，開關(guān)損耗較大

3）存在占空比丟失問題

4）原邊有較大環(huán)流，系統(tǒng)通態(tài)損耗大

5）存在占空比丟失的問題

6）副邊整流二極管存在反向恢復(fù)問題，整流電壓Ur出現(xiàn)振蕩，二極管反向電壓出現(xiàn)尖峰。這種由整流二極管反向恢復(fù)問題而引起的損耗嚴重限制了直流電源效率的提高。

7）輸入電壓和變換器效率存在矛盾。

2 LLC串聯(lián)全橋諧振變換器原理

2.1 LLC電路結(jié)構(gòu)及特點

為了提高軟開關(guān)變換器的性能，特別是實現(xiàn)整流二極管軟開關(guān)、解決二極管反向恢復(fù)問題、實現(xiàn)零到全負載范圍內(nèi)開關(guān)管的ZVS，學(xué)術(shù)界提出了LLC諧振變換器。圖2-1所示為其全橋電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖。

考慮到該諧振變換器一般用在幾十甚至上百赫茲的開關(guān)頻率條件下，因此選用PowerMOSFET作為開關(guān)器件。從電路結(jié)構(gòu)上看，T1T2T3T4構(gòu)成全橋逆變電路，Lr、Lm、Cr構(gòu)成串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)，在高頻變壓器的二次側(cè)接一二極管全波整流電路并在負載兩端并聯(lián)濾波電容Cf。從驅(qū)動上看，T1和T4采用同一驅(qū)動信號，T2、T3采用同一驅(qū)動信號，占空比均為50%。但必須注意兩驅(qū)動脈沖之間需設(shè)置死區(qū)，這樣做一方面避免了同一橋臂上下兩關(guān)同時導(dǎo)通，另一方面也是實現(xiàn)開關(guān)管ZVS的必然要求。對比移相全橋軟開關(guān)變換器可以發(fā)現(xiàn)，LLC串聯(lián)諧振全橋DC/DC 變換器的主要特點如下：

1）在諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了一個諧振電容Cr，由于Cr串聯(lián)在變壓器的原邊，實際上也起到隔直作用，使變壓器不容易飽和。

2）變壓器T原邊增加了電感Lm，這是LLC串聯(lián)諧振變換器與傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器的主要區(qū)別。

3）副方濾波網(wǎng)絡(luò)沒有濾波電感Lf。由于變壓器原方電感Lm較大，可以起到濾波作用，故可以省略Lf，以減小變換器體積和重量。

2.2 LLC全橋諧振變換器主開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的條件

正如前文所述，LLC全橋諧振變換器多用于極高開關(guān)頻率的場合，主功率管選用PowerMOSFET，因此必須使其工作在軟開關(guān)狀態(tài)下，才能減小開關(guān)損耗，提高變換器的效率。軟開關(guān)通常分為ZVS和ZCS，對于PowerMOSFET，在硬開通條件下，開關(guān)損耗主要是由開通損耗引起，因此對于LLC全橋諧振變換器，應(yīng)該工作于ZVS導(dǎo)通條件下，這樣在器件開通前，漏極和源極之間的電壓先降為零，輸出電容上儲存能量很小，可以大大降低MOSFET的開通損耗。

當(dāng)開關(guān)管互補對稱驅(qū)動且并聯(lián)電容與主電路諧振電容數(shù)值相差較大時，諧振變換器實現(xiàn)ZVS和ZCS條件，基本上可以由諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的性質(zhì)確定。圖2-2所示為諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗性質(zhì)與軟開關(guān)條件的關(guān)系。

當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗Zin為感性時，輸入電流ir滯后于輸入電壓Vs角度φ，在主開關(guān)管被驅(qū)動之前，其寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，主開關(guān)管兩端電壓被箝位至零，故主開關(guān)管為ZVS，而驅(qū)動信號被撤走時，主開關(guān)管中還流過電流，故為硬關(guān)斷；當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗Zin為容性時，輸入電流ir超前于輸入電壓Vs角度φ，在主開關(guān)被驅(qū)動之前，由于同一橋臂另一開關(guān)管的寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，主開關(guān)管兩端電壓被箝位至輸入電壓Vin，故為硬開通，而驅(qū)動信號被撤走時，主開關(guān)管中電流為零，諧振電流流過寄生(反并)二極管，故主開關(guān)管為ZCS。下表1直觀地總結(jié)了上述觀點。

變換器工作在感性區(qū)僅是MOSFET ZVS的必要條件，而非充分條件。因為在各個橋臂的中點還存在著寄生電容，而這些寄生電容在死區(qū)過渡時間里需要進行充電和放電。為了保證實現(xiàn)ZVS，必須在驅(qū)動信號之間加入適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)Td，使得在死區(qū)過渡時間內(nèi)，寄生電容及結(jié)電容能夠充分放電。

下面在死區(qū)已經(jīng)符合要求的前提下，討論開關(guān)管ZVS的條件。

圖1-4 移相控制PWM ZVS全橋變換器

圖2-1 LLC串聯(lián)全橋諧振變換器

圖2-2 諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗性質(zhì)與開關(guān)管ZVS、ZCS關(guān)系

表1

綜上所述，要實現(xiàn)LLC主開關(guān)管ZVS開通，必須同時滿足兩個條件：一是要使諧振網(wǎng)絡(luò)呈感性，即使開關(guān)頻率f滿足fm

2.3 整流二極管ZCS的實現(xiàn)與反向恢復(fù)問題的解決

由2.2節(jié)分析可知，當(dāng)工作頻率f在f>fs的情況下可以實現(xiàn)開關(guān)管ZVS，記這一工作頻率區(qū)間為區(qū)域1；同樣，在fm

由上所述，當(dāng)工作在區(qū)域2時，D5、D6電流斷續(xù)，因而實現(xiàn)了ZCS開關(guān)，降低了開關(guān)損耗，從而提高了變換器的效率。這與移相PWM變換器相比又是一個巨大的優(yōu)勢。綜合2.2和2.3所述，統(tǒng)籌考慮主開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，整流二極管實現(xiàn)ZCS，應(yīng)當(dāng)使變換器工作頻率滿足fm

2.4 LLC諧振變換器寬輸入電壓范圍分析

正如上文所述，移相全橋PWM ZVS變換器在輸入電壓較高時，占空比小，原邊環(huán)流能量較大，變換器效率較低，為了取得較高效率，通常只能將其設(shè)計在輸入電壓較低占空比較大時工作，這對于有掉電維持時間限制的開關(guān)電源是不適合的。而LLC諧振全橋變換器則有著較寬的輸入電壓范圍可以解決這個問題，具體分析如下。

LLC電路具有兩個諧振頻率，分別是Lr和Cr的諧振頻率fs和Lr、Cr再加上Lm的諧振頻率fm。變換器的諧振頻率在fs和fm兩者間切換，正是因為諧振網(wǎng)絡(luò)可以以fm頻率諧振，使得可以在一定時間內(nèi)維持變壓器原邊電流為零，從而實現(xiàn)整流二極管的ZCS。但是這也使得負載能量只能由副邊整流電容Cf儲能提供，降低了變換器的效率。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到以下結(jié)論：

當(dāng)輸出電壓Vo一定時，輸入電壓Vin越大，變換器以fm諧振持續(xù)的時間就越短，因此變換器的效率就越高。這一特性與傳統(tǒng)移相全橋PWM ZVS變換器的效率特性正好相反，適用于高輸入電壓場合和有掉電維持時間限制的直流變換器。這一特性，使LLC變換器可以將輸入電壓高的情況設(shè)計為正常工況，以取得較高的工作效率，當(dāng)出現(xiàn)輸入電壓掉電時，通過降低開關(guān)頻率，仍然可以維持輸出電壓的恒定，代價僅僅是變換器效率下降，而不會影響對負載供電。這是LLC諧振變換器的一大優(yōu)越性能。

3 半橋LLC諧振變換器和三電平LLC諧振變換器簡介

近年來LLC電路得到廣泛的重視和飛速的發(fā)展。提出了一系列電路拓撲，各個拓撲間既有聯(lián)系又有區(qū)別，因此分類方法也多種多樣。在這里大致將其分為兩電平LLC電路和三電平LLC電路兩大類。每一大類又分別包含了全橋式和半橋式兩小類。本文第二章詳細分析了兩電平全橋式LLC諧振變換電路，對其主開關(guān)管ZVS、整流二極管ZCS、寬輸入電壓范圍等優(yōu)越性能作了簡單的敘述。因此，這里只對兩電平半橋式LLC和三電平LLC作一簡介。

3.1 兩電平半橋式LLC諧振變換器

如圖3-1所示為兩電平半橋式LLC諧振變換拓撲

半橋式LLC拓撲結(jié)構(gòu)在性能上與全橋式LLC有著很大的相似性，都有兩個諧振頻率fs和fm，也是通過使開關(guān)頻率f滿足fm

圖3-1 兩電平半橋式LLC諧振變換器

圖3-2 三電平LLC諧振變換器

圖3-3 復(fù)合式全橋三電平LLC諧振變換器

3.2 三電平LLC諧振變換器

如圖3-2所示為三電平LLC諧振變換器電路圖。該電路結(jié)構(gòu)結(jié)合了三電平技術(shù)和半橋LLC串聯(lián)諧振變換器各自的特點，使其兼有三電平變換器和LLC諧振變換器的優(yōu)點。具體而言，該電路可以在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS和整流二極管的ZCS，將變換器損耗降到最小，且整流二極管電壓應(yīng)力僅為輸出電壓，在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)取得較高的效率,非常適用于寬輸入電壓范圍下的應(yīng)用場合。同時，采用了三電平技術(shù)則可以使開關(guān)管上的電壓應(yīng)力降低為輸入電壓的一半，可以很好地解決輸入電壓過高而不容易選擇開關(guān)器件的問題，可以使用在更大功率場合之中。

但是與普通LLC諧振變換器相比，三電平電路結(jié)構(gòu)也帶來設(shè)計上的困難，其輸入輸出電壓增益與開關(guān)頻率、負載之間的關(guān)系不甚明晰，并且有四個開關(guān)管驅(qū)動脈沖死區(qū)時間需要設(shè)計，難度較大，成為工業(yè)應(yīng)用推廣上的一大障礙。但是隨著技術(shù)的不斷進步，三電平LLC依然有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 復(fù)合式全橋三電平LLC諧振變換器

3.2所述三電平LLC諧振變換器綜合了三電平技術(shù)和LLC諧振變換器的優(yōu)點，有文將三電平技術(shù)同兩電平技術(shù)以及LLC諧振變換器共同的優(yōu)點結(jié)合起來，提出復(fù)合式全橋三電平LLC諧振變換器，其電路圖如圖3-3所示。

該電路兩個橋臂開關(guān)管數(shù)目不同，Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成三電平橋臂，Q5、Q6構(gòu)成兩電平橋臂。Q2、Q3、Q5、Q6采用移相控制方式，Q2、Q3為超前管，Q5、Q6為滯后管。Q1和Q4相對于Q2和Q3進行PWM控制。當(dāng)輸入電壓較低時，Q1和Q4斬波工作，Q2、Q3與Q5、Q6之間有一個較小的固定相位差，將Q2、Q3實現(xiàn)ZVS和Q5、Q6實現(xiàn)ZVS分離開來。A、B兩點間電壓為三電平波形，輸出電壓由斬波管的占空比來調(diào)節(jié)，稱之為三電平模式。當(dāng)輸入電壓較高時，Q1和Q4的脈寬減小到零，Q2和Q3與Q6和Q5移相工作，即通過調(diào)節(jié)兩者之間的移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓，此時A、B兩點間電壓為三電平波形，稱之為兩電平模式。

由于該電路特殊的結(jié)構(gòu)，使之兼有三電平技術(shù)、兩電平技術(shù)以及LLC諧振變換器的特點，總結(jié)如下：電路結(jié)構(gòu)較三電平全橋LLC諧振變換器簡單；可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)高效工作，適合于寬輸入電壓范圍的應(yīng)用場合；三電平橋臂開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半；兩電平橋臂開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓；輸出整流二極管實現(xiàn)ZCS，而且其電壓應(yīng)力僅為輸出電壓；可以在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.07.048

1.陳邦杰.（1990.1.9-）.男，漢族，籍貫：安徽省明光市，工學(xué)學(xué)士，單位：安徽電力壽縣供電有限責(zé)任公司；

2.關(guān)振亞（1990.5.7-）.男，漢族，籍貫：安徽省淮南鳳臺，學(xué)位：工學(xué)學(xué)士，工作單位：安徽電力金寨供電有限責(zé)任公司。