如何实现LLC谐振拓扑软开关？

LLC有哪些特点?

1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。

2. 能够在输入电压和负载大范围变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。

3. 采用频率控制，上下管的占空比都为50%.

4. 减小次级同步整流MOSFET的电压应力，可以采用更低的电压MOSFET从而减少成本。

5. 无需输出电感，可以进一步降低系统成本。

01什么是软开关

普通的拓扑电路的开关管是硬开关的，在导通和关断时MOS管的Vds电压和电流会产生交叠，电压与电流交叠的区域即MOS管的导通损耗和关断损耗。所示：

为了降低开关管的开关损耗，提高电源的效率，有零电压开关(ZVS) 和零电流开关(ZCS)两种软开关办法。

ZVS是开关管的电压在导通前降到零，在关断时保持为零;

ZCS是开关管的电流在导通时保持在零，在关断前使电流降到零。

ZVS和ZCS都能使开关管的开关损耗极大降低，那么对于常用的MOSFET作为开关器件，要选用ZVS还是ZCS呢?

02MOSFET为什么更用ZVS

MOSFET关断时，其Cos会起到一个Snubber的作用。该Snubber可以将 Vds和Ids错开，如图4，增大Cos，Vds上升如绿色波形，降低了交叉损耗，因此，MOSFET的关断损耗通常不显著，开通损耗更关键。对于MOSFET，我们通常希望在零电压条件下开通其沟道，即实现ZVS，这样可以消去其开通损耗。

03如何实现ZVS

如果一个正弦半波经过一个电阻，电阻电流必定也为正弦半波，电压与电流且同相位。如果正弦半波加到一个感性网络，则电流波形将滞后电压，当输入电压为0时，电流是一个负值，这个负值电流通过MOSFET的体二极管，使MOSFET的Vds电压降低到约0.7V，如图5，再开通MOSFET，就可以实现ZVS。

实现ZVS需要两个条件：

1)使PWM方波电流变成正弦波形，这需要一个谐振电路;

2)谐振网络的电流滞后于电压，这需要使谐振网络始终工作在感性状态;

要实现这两个条件，很多谐振拓扑可以选择，LLC有什么优势呢?

04为什么谐振拓扑选择LLC

在谐振拓扑中，串联谐振变换器(SRC)、并联谐振变换器(PRC)和串并联谐振变换器 LCC 和LLC是几种常见的拓扑，为什么选择LLC?如下我们来分析这个几种拓扑的优缺点。

4.1串联谐振变换器

半桥串联谐振变换器的电路图如图6，谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 串联。它们形成一个串联谐振腔。谐振腔随后与负载串联。根据这种结构，谐振腔和负载充当分压器。通过改变输入电压 Va 的频率，谐振腔的阻抗将发生变化。该阻抗将把输入电压与负载分开。由于它是一个分压器，SRC的直流增益总是低于 1。在谐振频率下，串联谐振腔的阻抗很小;负载上的所有输入电压都将下降。所以对于串联谐振变换器，最大增益发生在谐振频率。

提高功率密度已经成为电源变换器的发展趋势。为达到 这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系 统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(SMPS)而 言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS) 或零电流开关(ZCS) 拓扑允许采用高频开关技术，可以 大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开 关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降 低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC 谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务 器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半 桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极 管的MOSFET，才能获得更高的可靠性。

在功率变换市场中，尤其对于通信/服务器电源应用，不 断提高功率密度和追求更高效率已经成为具挑战性的 议题。对于功率密度的提高，普遍方法就是提高开关 频率，以便降低无源器件的尺寸。零电压开关(ZVS)拓 扑因具有极低的开关损耗、较低的器件应力而允许采用 高开关频率以及较小的外形，从而越来越受到青睐 。这些谐振变换器以正弦方式对能量进行处理，开 关器件可实现软开闭，因此可以大大地降低开关损耗和 噪声。在这些拓扑中，相移ZVS全桥拓扑在中、高功率 应用中得到了广泛采用，因为借助功率MOSFET的等效 输出电容和变压器的漏感可以使所有的开关工作在ZVS 状态下，无需额外附加辅助开关。然而，ZVS范围非常 窄，续流电流消耗很高的循环能量。近来，出现了关于 相移全桥拓扑中功率MOSFET失效问题的讨论。这种 失效的主要原因是：在低反向电压下，MSOFET体二极 管的反向恢复较慢。另一失效原因是：空载或轻载情况 下，出现Cdv/dt直通。在LLC谐振变换器中的一个潜在 失效模式与由于体二极管反向恢复特性较差引起的直通 电流相关。即使功率MOSFET的电压和电流处于安全工作区域，反向恢复dv/dt和击穿dv/dt也会在如启动、 过载和输出短路的情况下发生。

2 LLC谐振半桥变换器

LLC谐振变换器与传统谐振变换器相比有如下优势：

■宽输出调节范围，窄开关频率范围

■?即使空载情况下，可以保证ZVS

■?利用所有的寄生元件，来获得ZVS

LLC谐振变换器可以突破传统谐振变换器的局限。正是 由于这些原因，LLC谐振变换器被广泛应用在电源供电 市场。LLC谐振半桥变换器拓扑如图1所示，其典型波 形如图2所示。图1中，谐振电路包括电容Cr和两个与之 串联的电感Lr和Lm。作为电感之一，电感Lm表示变压器 的励磁电感，并且与谐振电感Lr和谐振电容Cr共同形成 一个谐振点。重载情况下，Lm会在反射负载RLOAD的作用 下视为完全短路，轻载情况下依然保持与谐振电感Lr串 联。因此，谐振频率由负载情况决定。Lr 和Cr决定谐振 频率fr1，Cr和两个电感Lr 、Lm决定第二谐振频率fr2，随 着负载的增加，谐振频率随之增加。谐振频率在由变压 器和谐振电容Cr决定的大值和小值之间变动。