半橋LLC諧振DC-DC變換器工作原理詳解

作為一種被廣泛應用在汽車交通、工業(yè)控制等領域的重要元件，目前DC-DC變換器已經發(fā)展出了多種不同的種類，其中，LLC諧振DC-DC變換器的應用范圍十分廣泛。本文將會就該種類型的DC-DC變換器工作原理進行詳細介紹，希望能夠對各位新人工程技術人員的設計工作提供一些幫助。

在實際的應用過程中，相信很多工程師對于半橋LLC諧振DC-DC變換器都不會陌生。這種變換器除了具有應用范圍非常廣泛之外，還具有輸出功率高、轉換效率高等顯著特點，其主電路結構如下圖圖1所示。LLC諧振變換器一般包括三部分：方波產生電路、諧振網絡和輸出電路。

圖1 半橋LLC諧振變換器的主電路結構

通常情況下，在變換器的設計和應用過程中，方波產生電路可以是半橋或全橋結構，這主要是根據功率需求來進行選擇。通過高低端開關管的交替導通，將直流輸入轉換為方波。當然，為防止它們同時導通，LLC諧振控制器普遍會在高低端開關管的驅動信號之間插入固定或可調的死區(qū)時間。LLC諧振DC-DC變換器的諧振網絡由三個諧振原件構成，分別為諧振電容Cs，諧振電感Ls和激磁電感Lm。

從圖1所給出的半橋LLC諧振DC-DC變換器的主電路結構圖中可以看出，該電路系統(tǒng)由以下元件構成：兩個功率MOSFETQ1、Q2，Q1和Q2的占空比都是0.5，采用固定死區(qū)的互補調頻控制方式來進行控制。圖1還中分別給出了Q1和Q2的半導體二極管和寄生電容、諧振電容Cs、理想變壓器、并聯(lián)諧振電感Lm、串聯(lián)諧振電感Ls、全橋整流二極管（D1、D2、D3、D4）、輸出電容C0和負載R0。

在圖1所示的半橋諧振變換器主電路系統(tǒng)中，當方波饋入諧振網絡后，電流波形和電壓波形將產生相位差。開關損耗為流過開關管的電流與其源漏極兩端的電壓乘積。此時，由于Q1、Q2在電流流過半導體二極管時開啟，開啟電壓很低，所以損耗很小。LLC諧振變換器電路有兩個諧振頻率，一個是諧振電感Ls和諧振電容Cs的諧振頻率，一個是Lm加上Ls與Cs的諧振頻率，即：

在上文所提供的兩個公式中，所求得的參數fr1為Cs與Ls的諧振頻率，參數fr2為Cs、Ls和Lm的諧振頻率，很顯然，參數fr1>fr2。從開關頻率fS與諧振頻率的關系來看，LLC半橋諧振DC-DC變換器的工作狀態(tài)分為fS=fr1、fr2≤fSfr1三種工作區(qū)域。下面我們進行一一介紹。

首先來看諧振DC-DC變換器的第一個工作狀態(tài)，即開關頻率fS等于fr1時的工作情況。在該狀態(tài)下時，原邊開關管Q1和Q2實現零電壓開通（ZVS），副邊整流二極管實現零電流（ZCS）自然關斷，并且工作在電流連續(xù)狀態(tài)。

接下來再來看諧振半橋式DC-DC變換器的第二種工作狀態(tài)，即諧振變換器的開關頻率fS工作在fr1和fr2之間時的工作運行情況。此時，勵磁電感Lm參與諧振，原邊開關管Q1和Q2實現零電壓開通（ZVS），副邊整流二極管實現零電流（ZCS）自然關斷，并且工作在電流斷續(xù)狀態(tài)，當工作頻率偏離諧振頻率fr1并下降時，激磁環(huán)路電流相對增加。

當半橋式LLC諧振DC-DC變換器工作在高于fr1的開關頻率時，勵磁電感Lm被輸出電壓鉗位，不參與諧振，開關管Q1、Q2實現了零電壓開通，激磁環(huán)路電流相對較小，但副邊整流二極管不能實現零電流自然關斷。對不同負載產生的不同功率需求，變換器的開關頻率也將不同。負載越輕，開關頻率越高。當開關頻率約等于諧振頻率fr1時，LLC變換器的特性幾乎與負載無關，增益僅由變壓器匝數比決定。

半橋式LLC諧振DC-DC變換器在實際的應用過程中，其本身所具備的軟開關特性主要體現在以下幾個方面。首先，這一變換器能做到主開關管零電壓開通。當Q2關斷，流過諧振電感的電流is經Q1的半導體二極管放電，為Q1的零電壓開通做好準備。其次，它還可以達到整流二極管零電流關斷/導通的效果。當is振蕩到與激磁電感電流im相等時，D1和D4因電流下降至零，自然關斷。當Cs、Ls和Lm共同諧振時，變壓器初級停止向次級傳遞能量，負載由輸出電容C0供電，直到Q1關斷，電流通過Q2的半導體二極管放電，為Q2實現零電壓開通做準備，然后D2和D3導通，能量傳遞再次建立，同時實現二極管零電流導通。

希望上文有關LLC諧振DC-DC變換器工作原理的詳細介紹能給大家提供一些工作上的小幫助。

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