LLC 工作原理及其常見的拓撲介紹

i，大家好，上次我們有介紹在 AC/DC 電源上 PFC 部分的工作原理和常見拓撲介紹，詳情請看【Industrial Power】PFC 及其常見的拓撲介紹 - 大大通(簡體站) (wpgdadatong.com.cn)，這裡就不在贅述『而隨著不斷增加的開關電源功率密度，已經受到了無源器件尺寸的限制。採用高頻運行，可以大大降低無源器件（如變壓器和濾波器）的尺寸。但過高的開關損耗勢必成為高頻運行的一大障礙。諧振變換器由於能實現軟開關，有效地減小開關損耗和容許高頻運行，所以在高頻功率變換領域得到廣泛的重視和研究。』（作者：iFTrue 未來以來，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）

        『而LLC 屬於龐大的諧振變換器拓撲家族系列，而諧振腔是該拓撲系列的基礎特徵。諧振腔是一組以特定頻率（稱為諧振頻率）振盪的電感器和電容器組成的電路。』（作者：MPS 芯源系統，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）

        『與傳統 PWM（脈寬調節）變換器不同，LLC 是一種通過控制開關頻率（頻率調節）來實現輸出電壓恆定的諧振電路。它的優點是：實現原邊兩個主 MOS 開關的零電壓開通 (ZVS) 和副邊整流二極體的零電流關斷 (ZCS)，通過軟開關技術，可以降低電源的開關損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。』（作者：學海無涯，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/483014729），那這次給大家介紹 LLC 部分的工作原理和常見拓撲。



一、LLC 工作原理

        『LLC 變換器由 4 個模塊組成：電源開關、諧振腔、變壓器和二極體整流器。MOSFET 功率開關首先將輸入的直流電壓轉換為高頻方波；隨後方波進入諧振腔，由諧振腔消除方波的諧波並輸出基頻的正弦波；正弦波再通過高頻變壓器傳輸到變換器的副邊，並根據應用需求對電壓進行升壓或降壓；最後，二極體整流器將正弦波轉換為穩定的直流輸出。


                                                                                           （圖片作者：MPS 芯源系統，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）



二、LLC 諧振腔

        首先我們從簡單的諧振電路來看，先從電感和電容的基本電路的特性逐步了解諧振電路的特性。

        諧振腔由諧振電容器 (CR) 和兩個電感器組成：諧振電感器 (LR) 與電容器和變壓器串聯，勵磁電感器 (LM) 則與之並聯。諧振腔的作用是濾除方波的諧波，將基頻開關頻率的正弦波輸出到變壓器的輸入端。

                                                                                          （圖片作者：MPS 芯源系統，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）』

        『與電阻不同，電感和電容都不是純阻性線性器件，電感的感抗 XL 和電容的容抗 Xc 都與頻率有關，當加在電感和電容上的頻率發生變化時，它們的感抗 XL 和容抗 Xc 會發生變化。過調節輸入電壓源的頻率，可以使電感和電容的相位相同，整個電路呈現為純電阻性，諧振時，電路的總阻抗達到或近似達到極值。利用諧振的特徵控制電路工作在合適的工作點上，同時又要避免工作在不合適的點上而產生危害。

        如下圖 RL 電路，當輸入源 Vin 的頻率增加時，電感的感抗增大，輸出電壓減小，增益 Gain=Vo/Vin 隨頻率增加而減小。

                                                                                             

                                                                                                （圖片作者：iFTrue 雷神；網址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）

        如下圖 RC 電路，相反，當輸入源 Vin 的頻率增加時，電容的容抗減小，輸出電壓增大，增益 Gain=Vo/Vin 隨頻率增加而增加。

                                                                                              

                                                                                                 （圖片作者：iFTrue 雷神；網址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）

        如下圖 LC 諧振電路，我們將 L 和 C 都引入電路中，可以發現，當輸入電壓源的頻率從 0 開始向某一頻率 f0 增加時，LC 電路呈容性（容抗＞感抗），增益隨頻率增加而增加，當從這一頻率再向右邊增加時，LC 電路呈感性（感抗＞容抗），增益隨頻率增加而降低。

        這一頻率 f0 即為諧振頻率（此時感抗=容抗），諧振時電路呈純電阻性，增益最大。

                                                                                             

                                                                                                 （圖片作者：iFTrue 雷神；網址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）

        對於 LLC 諧振電路，等效分析得到如下簡化電路。當交流等效負載 Rac 變化時，系統通過調整工作頻率，改變 Zr 和 Zo 的等效阻抗，從而改變分壓比，使得輸出電壓穩定，LLC 就是這樣穩定輸出電壓的。可以得到與 LC 諧振電路類似趨勢的增益曲線，峰值左側呈容性（容抗＞感抗），增益隨頻率增加而增加，右側呈感性（感抗＞容抗），增益隨頻率增加而降低。

三、LLC 電路拓撲

        電源開關可以採用全橋或半橋拓撲實現，每種拓撲都具備自己獨特的輸出波形，其中半橋 LLC 也稱非對稱半橋 LLC，一般用於小功率場合，具有開關管數量少等特點。


                                                                                           （圖片作者：iFTrue 雷神；網址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）

      電容分立半橋 LLC 也稱對稱半橋 LLC，工作原理與對稱半橋 LLC一樣，只是諧振電容容量小，電流峰值也會較小。


                                                                                         （圖片作者：iFTrue 雷神；網址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）

      全橋 LLC 開關管相對於半橋 LLC 多，適用於大功率場合。



                                                                                         （圖片作者：iFTrue 雷神；網址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511）』

      『這兩種拓撲的主要區別在於：全橋拓撲生成的方波沒有直流偏移，幅度等於輸入電壓 (VIN) ；半橋拓撲則產生一個偏移 (VIN / 2) 的方波，因此幅度僅為全橋波的一半。


                                                                                            （圖片作者：MPS 芯源系統，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）

      每種拓撲都有其自身的優缺點。全橋拓撲需要更多的電晶體，因此實施成本更高。而且，添加的電晶體會導致串聯電阻 (RDS(ON)) 增加，從而增加傳導損耗；但另一方面，全橋實現可以將必要的變壓器匝數比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地減少變壓器中的銅損。

      半橋拓撲的實施則更具成本效益，而且，它可以將電容器兩端的 RMS 電流降低約 15%；不過，這種拓撲會增加開關損耗。權衡利弊之後，通常建議在功率低於 1KW 的應用中採用半橋功率開關拓撲，而在更高功率應用中則採用全橋拓撲。



四、LLC 軟開關  LLC 變換器的另一個常見特性是其軟開關能力。 

      軟開關功能旨在通過利用電流的自然上升與下降、以及電路內部電壓來降低開關損耗，以確保電子開關在最有效的時刻導通或關斷。如果在電流近似為零時開關，稱為零電流開關 (ZCS)。如果在低電壓下開關，稱為零電壓開關 (ZVS)。LLC 變換器憑藉其諧振特性，可以同時實現 ZVS 和 ZCS。

      下圖顯示了 LLC 變換器的四種基本工作模式。模式 1 和模式 3 為標準的 LLC 操作。在模式 1 中，電流從電源輸送到諧振腔和變壓器副邊（Q1 導通，Q2 關斷）。在模式 3 中，存儲在諧振腔中的剩餘功率被傳輸到變壓器的副邊，其電流的流動方向與模式 1 中相反（Q1 關斷，Q2 導通）。ZVS 在模式 2 和模式 4 中出現，此時兩個開關均關斷；期間，電流流過電晶體的體二極體（例如模式 2 中的 Q2，或模式 4 中的 Q1），這也稱為續流。


                                                                                                 （圖片作者：MPS 芯源系統，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）

      受體二極體的小壓降限制，續流導致電晶體兩端的電壓 (VDS) 下降，直至接近零值。此時，兩個柵極信號都為低電平，當電路從模式 2 轉換到模式 3 、或模式 4 轉換到模式 1 時，電晶體兩端的電壓接近於零，這最大限度地降低了開關損耗。

                                                                                                   
                                                                                           （圖片作者：MPS 芯源系統，資料來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236）』

      NXP 基於 MC56F8xxx 的高效率 LLC 諧振轉換器設計，Demo 設計詳細介紹請參考博文【Industrial Power】NXP 基於 MC56F8xxx 的高效率 LLC 諧振轉換器設計 - 大大通(簡體站) (wpgdadatong.com.cn)
     
      Demo 設計的實機演示可參考視頻【Industrial Power】基於 MC56F8xxxx的LLC諧振轉換器設計介紹 - 大大通(簡體站) (wpgdadatong.com.cn)



五、參考資料

【1】淺顯易懂地看LLC變換器：https://zhuanlan.zhihu.com/p/146692511
【2】LLC 的工作原理（第 I 部分）：電源開關和諧振腔：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544989236
【3】這麼完整的LLC原理講解，不分享出來可惜了！：https://zhuanlan.zhihu.com/p/483014729