LLC串聯(lián)諧振電路分析

LLC的優(yōu)勢之一就是能夠在比較寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)原邊MOSFET的零電壓開通(ZVS)，MOSFET的開通損耗理論上就降為零了。要保證LLC原邊MOSFET的ZVS，需要滿足以下三個基本條件：

1)上下開關(guān)管50%占空比，1800對稱的驅(qū)動電壓波形;

2)感性諧振腔并有足夠的感性電流;

3)要有足夠的死區(qū)時間維持ZVS。

圖a)是典型的LLC串聯(lián)諧振電路。圖b)是感性負載下MOSFET的工作波形。由于感性負載下，電流相位上會超前電壓，因此保證了MOSFET運行的ZVS。要保證MOSFET運行在感性區(qū)，諧振電感上的諧振電流必須足夠大，以確保MOSFET源漏間等效的寄生電容上存儲的電荷可以在死區(qū)時間內(nèi)被完全釋放干凈。

當原邊的MOSFET都處于關(guān)斷狀態(tài)時，串聯(lián)諧振電路中的諧振電流會對開關(guān)管MOSFET的等效輸出電容進行充放電。MOSFET都關(guān)斷時的等效電路如下圖所示：

通過對上圖的分析，可以得出需要滿足ZVS的兩個必要條件，如下：

公式看上去雖然簡單，然而一個關(guān)于MOSFET等效輸出電容Ceq的實際情況，就是MOSFET的等效寄生電容是源漏極電壓Vds的函數(shù)，之前的文章對于MOSFET的等效寄生電容進行過詳細的理論和實際介紹。，也就是說，等效電容值的大小會隨著Vds的變化而變化。如下圖所示，以Infineon的IPP60R190P6為例：

LLC串聯(lián)諧振電路MOSFET的Vds放電過程分為四個階段，如下圖所示， (I) 380V-300V; (II) 300V-200V; (III) 200V-100V; (IV)100V-0V。

從圖中可以看出，(I)和(IV)兩部分占據(jù)了Vds放電時間的將近2/3，此時諧振腔的電感電流基本不變。這兩部分之所以占據(jù)了Vds放電的大部分時間，主要原因在于當Vds下降到接近于0的時候，MOFET源漏間的寄生電容Coss會指數(shù)的增加。因此要完全釋放掉這一部分的電荷，需要更長的LLC諧振周期和釋放時間。

因此選擇合適的MOSFET(足夠小的等效寄生電容)，對于ZVS的實現(xiàn)至關(guān)重要，尤其是當Vds接近于0的時候，等效輸出電容要足夠小，這樣還可以進一步降低死區(qū)時間并提高LLC的工作效率。

下圖進一步說明如何選擇合適的ZVS方案。

圖(a)：理想的ZVS波形;

圖(b)：Vds還沒下降到0，Vgs已經(jīng)出現(xiàn)。此種情況下，LLC串聯(lián)諧振就會發(fā)生硬開關(guān)。應(yīng)對之策需要減少變壓器的勵磁電流，或者適當增加死區(qū)時間(如果IC選定，死區(qū)時間一般就固定了);

圖(c)：實現(xiàn)了ZVS，但是諧振腔的電流不足以維持MOSFET體內(nèi)二極管的持續(xù)導(dǎo)通。

圖(d)死區(qū)時間過于長了，會降低整個LLC的工作效率。

總之，MOSFET的等效輸出電容對于LLC原邊MOSFET ZVS的實現(xiàn)是至關(guān)重要的。如果MOSFET已經(jīng)選定，諧振腔需要仔細計算、調(diào)試和設(shè)定，并選取合適的死區(qū)時間，來覆蓋所有負載的應(yīng)用范圍。實際應(yīng)用中對于穩(wěn)態(tài)運行的硬開關(guān)都可以通過設(shè)計進行修正從而達到穩(wěn)定運行的設(shè)計目的。然而開機過程中的硬開關(guān)(軟啟高頻到低頻過程中)，尤其是開機過程中的頭幾個開關(guān)周期，對于有些設(shè)計和方案，硬開關(guān)是避免不了的。

審核編輯：湯梓紅