LLC谐振变换器的软开关特性‌如何实现

‌LLC谐振变换器通过软开关技术显著降低了开关损耗，提升了电源效率。‌LLC谐振变换器利用谐振原理实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)，从而在开关过程中减少电压和电流的交叠，降低了导通和关断损耗‌12。

LLC谐振变换器主要由逆变网络、谐振网络、变压器和整流滤波网络组成。逆变网络由两个MOSFET(S1、S2)及其体二极管(D1、D2)和寄生电容(C1、C2)组成。谐振网络包括励磁电感(Lm)、谐振电感(Lr)和谐振电容(Cr)。在开关过程中，通过调节开关频率来维持输出电压的恒定，实现软开关功能‌13。

‌软开关特性‌：LLC谐振变换器利用谐振电路的特性，在零电压开通(ZVS)和零电流关断(ZCS)模式下工作，极大地减少了开关损耗，提高了效率‌2。‌低导通损耗‌：由于开关管工作在软开关状态下，导通损耗较低‌2。‌电磁干扰(EMI)低‌：软开关特性使得开关过程中的电压和电流变化率(dv/dt和di/dt)较低，从而减少了电磁干扰(EMI)‌2。‌高功率密度‌：高效率和低损耗使得LLC谐振变换器可以设计得更加紧凑，适用于高功率密度的应用场合‌2。宽输出电压调节范围‌：通过调节开关频率，可以实现较宽的输出电压范围，适应不同的负载和输入电压变化‌2。LLC谐振变换器广泛应用于各种需要高效电源转换的场合，特别是在高功率应用中表现出色。

与传统PWM变换器不同，LLC谐振电路通过调节开关频率来维持输出电压的恒定。这一特性使得原边两个主MOS开关能够实现零电压开通(ZVS)，而副边整流二极管则能实现零电流关断(ZCS)。借助软开关技术，LLC谐振电路能够有效降低电源的开关损耗，进而提升功率变换器的效率和功率密度。

为了深入了解和掌握LLC谐振电路，我们首先需要澄清以下两个核心问题：LLC电路实现软开关的原理。在普通的拓扑电路中，开关管通常采用硬开关方式，这会导致在MOS管导通和关断时，其Vds电压与电流产生交叠。这种交叠区域正是MOS管产生导通损耗和关断损耗的原因。然而，LLC电路则巧妙地利用了谐振原理，实现了软开关，从而有效地降低了这种损耗。

为了减少开关管在开关过程中的损耗，进而提升电源的整体效率，我们采用了两种软开关技术：零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。

1零电压开关(ZVS)

在开关管导通之前，其电压已降低至零，并且在关断过程中始终保持为零状态。

2零电流开关(ZCS)

在开关管导通瞬间，其电流被控制在零，并且在关断之前逐渐降至零。

三相CLLC谐振变换器凭借其高效率、大容量、低器件应力等优势而受到广泛关注。然而，多相结构的磁性元件数量多、体积大，是制约功率变换器尺寸的主要因素，同时也极大的增加了变换器的质量和成本。随着宽禁带(WBG)半导体器件的出现，功率变换器的开关频率显著提高，这也为印制电路板(PCB)绕组的使用提供了有利条件。此外，由于高频带来的低电感需求也使得基于PCB绕组的平面磁性元件更有利于实现集成。

由于传统“方型”六磁柱磁集成变压器磁心的平面结构使得三相磁路长度不等，中间B相的磁路最短，两边A,C相的磁路最长，从而导致三相磁阻不对称。在相同的激励条件下，这会引起三相电流的不均衡，影响系统的稳定性。中国矿业大学绿色电能变换与电机驱动实验室程鹤、徐恺、李朋圣、齐乃菊、于东升提出一种适用于三相CLLC谐振变换器的“圆柱型”平面磁心结构，不仅将六个谐振电感和三个变压器件集成在一个平面磁心上，实现了磁性元件的高度集成，并且该磁心结构完全对称设计，使得各相负载电流更加均衡，提高了系统的效率和稳定性。

研究人员首先针对三相CLLC谐振变换器磁性元件体积大，效率低的问题，提出了一种适用于三相CLLC谐振变换器的新型的集成磁心结构，然后详细分析了提出集成磁件的磁路模型，并通过有限元仿真对磁心结构进行优化设计，最后搭建了一台基于SiC器件的实验样机，定制了传统“方型”集成磁心和本文提出的“圆柱形”集成磁心样本进行对比实验，进一步验证了所提出磁心结构的合理性和可行性。

在当前的全球能源危机中,重点是提高效率,电子产品面临着高性能、低耗电的严峻挑战。由于这场危机,世界各地的各种政府机构已经或正在考虑提高其各自规格的众多产品的效率标准。用传统的硬开关转换器很难达到这些效率规格。电源设计者需要考虑软开关拓扑,以提高效率,并允许更高频率的操作。

其中之一就是LLC谐振变换器。LLC谐振拓扑允许零电压开关的主要开关,从而大大降低开关损失和提高效率。LLC谐振变换器可实现93~96%的效率。本文将描述LLC谐振拓扑的操作,并说明如何实现这种高效率。

共振转换器已经存在了很长时间。然而,直到现在,随着控制器变得更加可用,他们才看到越来越多的接受度,而且绝对需要提高效率。理解LLC谐振变换器的最好方法也许是首先研究传统的串联谐振变换器,如图1所示。

图1:系列谐振变换器(1)

在图1中,串联谐振变换器显示为半桥配置。在离线应用程序中,VIN通常是大约400V的上游功率因数校正电路的输出。共振网络由Rr和CR组成。变压器的主电感被认为是大到不影响谐振网络。它被称为系列谐振转换器,因为负载电阻以及整流器和滤波器电路的冲击,可以通过变压器的转动比被反射回原电路。这一行动有效地使负载与共振网络相串联。谐振网络和反射负载电阻形成一个分压器。在一般的串联共振电路中,谐振网络的阻抗在谐振频率的最小值。

在普通的拓扑电路中，开关管通常采用硬开关方式工作。这意味着在导通和关断的瞬间，MOS管的Vds电压与电流会产生交叠。这个交叠区域正是MOS管产生导通损耗和关断损耗的地方。然而，通过LLC电路的设计，我们可以实现软开关，从而有效地减小这些损耗。

我们采取了两种软开关策略：零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。 零电压开关(ZVS)：在开关管导通之前，其电压已降低至零，并且在关断过程中始终保持为零状态。零电流开关(ZCS)：在开关管导通瞬间，其电流被控制在零，并且在关断之前逐渐降为零。