高效率開關(guān)電源的原理及特點研究

田進(jìn)榮

摘要：電源作為工業(yè)時代的重要產(chǎn)品，可以為各種電子設(shè)備提供功率和電能，是整個電子設(shè)備系統(tǒng)的動力之源，開關(guān)電源作為電源中的后起之秀，使用周期長，耗能低，易控制，優(yōu)勢明顯。隨著開關(guān)電源應(yīng)用的發(fā)展，高效率、高功率密度開關(guān)電源更讓人青睞。本文將探討并舉例說LLC開關(guān)電源的原理及相關(guān)特點。

關(guān)鍵詞：LLC開關(guān)電源;原理;特點

一、引言

隨著電子信息時代的到來與快速發(fā)展，電子設(shè)備越來越常見在人們的生活各種領(lǐng)域之中，給人們生活以及生產(chǎn)帶來了巨大的改變，組成了現(xiàn)今生產(chǎn)之中的主要能動力來源，對社會生產(chǎn)力的發(fā)展起到非常重要的作用。電子設(shè)備離不開電源，所有的電子設(shè)備需要電源提供設(shè)備運行所需的能量。傳統(tǒng)的線性調(diào)整電源曾長期占據(jù)市場并發(fā)揮著重大作用，但其缺點也較為明顯，比如線路中的阻抗大，損耗也大，而開關(guān)電源中的開關(guān)過程耗能較少，并且前者是模擬控制，后者是數(shù)字控制。由于以上的原因，開關(guān)電源后來居上，隨著開關(guān)電源發(fā)展對高效率、高功率密度的需求，LLC開關(guān)電源在當(dāng)前市場中占有了很重要的地位，應(yīng)用的前景也非常的光明，所以未來預(yù)期非常強，做好LLC開關(guān)電源的研究，能夠在未來的競爭之中取得很好優(yōu)勢。

二、開關(guān)電源的構(gòu)成

從器件上來看，開關(guān)電源主要包括的是儲能器件以及開關(guān)器件。儲能器件包括電容以及電感等，開關(guān)器件包括MOS管，IGBT，三極管等。在工作時，需要輸入交直流電壓，輸出相關(guān)設(shè)備所需要的電流或電壓。因此其本質(zhì)是一種電壓與電流的轉(zhuǎn)化裝置。

從組成部分來看，開關(guān)電源由四部分組成，其中首先是主功率電路，主要承擔(dān)電能的轉(zhuǎn)換與輸送，其次就是控制電路，結(jié)合取樣反饋參數(shù)控制主功率電路的輸出穩(wěn)定。再次就是檢測反饋電路，對主功率電路中各個參數(shù)的監(jiān)測與進(jìn)行取樣反饋，獲取主功率電路的各項數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷確定是否進(jìn)行電源的保護(hù)措施，來保證電源的正常運行。最后就是輔助供電電源（啟動電源、供電）。

三、開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源的工作過程很容易理解。在線性電源中，功率晶體管以線性模式工作。與線性電源不同，PWM開關(guān)電源使功率晶體管在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下工作。在這兩種狀態(tài)下，添加到功率晶體管的V-A乘積很小（在導(dǎo)通狀態(tài)下，電壓低且電流大;在關(guān)斷狀態(tài)下，電壓高）;關(guān)閉時，電壓高而電流低），并且功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上的損耗。

與線性電源相比，通過將輸入直流電壓斬波成幅度等于輸入電壓幅度的脈沖電壓，可以使PWM開關(guān)電源的工作過程更加有效。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被切成交流方波，就可以通過變壓器增加或減小其幅度。可以通過增加變壓器次級繞組的數(shù)量來增加輸出電壓。最后，對這些交流波形進(jìn)行整流和濾波以獲得直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性控制器相似。換句話說，控制器的功能塊，參考電壓和誤差放大器可以設(shè)計為與線性穩(wěn)壓器相同。它們之間的區(qū)別在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動功率晶體管之前先經(jīng)過電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。

開關(guān)電源的主要工作模式有很多：正激轉(zhuǎn)換器，反激轉(zhuǎn)換器，降壓轉(zhuǎn)換器，橋式轉(zhuǎn)換器和推挽式轉(zhuǎn)換器。盡管每個部分的布局差異不大，但工作過程卻大不相同，并且每個部分在特定應(yīng)用中都有自己的優(yōu)勢。與高效率和高功率密度相比，LLC諧振軟開關(guān)電源具有明顯的優(yōu)勢。

四、LLC諧振軟開關(guān)電源

近年來，LLC拓?fù)湟蚱涓咝屎透吖β拭芏榷艿酱蠖鄶?shù)設(shè)計人員的青睞。這種軟交換技術(shù)超越了任何以前的硬交換拓?fù)浼夹g(shù)。

要了解LLC，我們首先必須了解軟交換技術(shù)。對于常見拓?fù)洌?dāng)MOSFET開關(guān)時，MOSFETD-S之間的電壓和電流重疊，從而導(dǎo)致開關(guān)損耗。

提出了零電流開關(guān)（ZCS）和零電壓開關(guān)（ZVS）軟開關(guān)方法，以減少開關(guān)重疊。對于ZCS：在開關(guān)打開時將其電流保持為零，并在關(guān)閉之前將其減小為零。對于ZVS：在接通之前使開關(guān)管的電壓降至零，在斷開時使其保持零。

最早的軟開關(guān)技術(shù)是通過有損緩沖電路實現(xiàn)的。從能量的角度來看，是將開關(guān)損耗傳遞到緩沖電路，以改善開關(guān)的工作條件。這種方法不會提高轉(zhuǎn)換器的效率，甚至不會降低效率。目前，軟開關(guān)技術(shù)不再使用有損緩沖電路，該技術(shù)真正降低了開關(guān)損耗，而不是損耗轉(zhuǎn)移，這是諧振技術(shù)。諧振轉(zhuǎn)換器分為全諧振轉(zhuǎn)換器，準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器，零開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器和零轉(zhuǎn)換PWM轉(zhuǎn)換器。全諧振變換器的諧振元件始終處于諧振狀態(tài)，而準(zhǔn)諧振變換器的諧振元件僅參與能量轉(zhuǎn)換的一個階段，而不是整個過程。零開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器在準(zhǔn)諧振的基礎(chǔ)上增加了一個輔助開關(guān)，以控制諧振元件的諧振過程。零轉(zhuǎn)換PWM轉(zhuǎn)換器的輔助諧振電路僅在開關(guān)接通和斷開時工作一段時間，而在其他時間停止工作。

全諧振變換器主要由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振縫隙電路組成。它使流經(jīng)開關(guān)管的電流變?yōu)檎也ǘ皇欠讲ǎ缓笤噲D使開關(guān)管在特定時間導(dǎo)通，以實現(xiàn)零電壓或零電流切換。

對于LLC，通常在電流為負(fù)時打開開關(guān)。在接通之前，電流流經(jīng)開關(guān)管內(nèi)部的二極管，并且D-S開關(guān)之間的電壓被鉗位在0V（忽略二極管的壓降）。在關(guān)閉之前，D-S之間的電容器電壓為0V，并且不能突然改變，因此接近于零電壓關(guān)閉。

從以上分析可以看出，為了實現(xiàn)ZVS，開關(guān)電壓必須滯后于電流。因此，有必要使諧振通道一直處于感應(yīng)狀態(tài)。

五、LLC諧振軟開關(guān)電源原理及應(yīng)用

1諧振參數(shù)分析

1.1電路拓?fù)?/p>

圖1為LLC型串并聯(lián)半橋諧振變換器電路，主開關(guān)管S1和S2是固定0.5占空比互補導(dǎo)通，Lr、Cr與變壓器的并聯(lián)電感Lm構(gòu)成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，整流二極管直接連接到輸出電容上。

LLC諧振變換的直流特性分為零電壓工作區(qū)和零電流工作區(qū)。這種變換有兩個諧振頻率。一個是Lr和Cr的諧振點，另外一個諧振點由Lm，Cr以及負(fù)載條件決定。負(fù)載加重，諧振頻率將會升高。這兩個諧振點的計算公式如下：

為了獲得最大效率，在設(shè)計電路時，有必要將工作頻率設(shè)置在FR1附近。在這些諧振器中，F(xiàn)R1是Cr和LR的串聯(lián)諧振頻率，主要是在工作過程中，隨著電壓的不斷降低，以確保其工作頻率可以穩(wěn)定，從而獲得更大的收益并完成收益。對于當(dāng)前的諧振頻率。當(dāng)負(fù)載或輸入電壓發(fā)生變化時，可以通過選擇適當(dāng)?shù)闹C振模式來實現(xiàn)LLC諧振變換

在實際情況下，LLC半橋電路的開關(guān)動作與半橋電路的開關(guān)動作沒有太大區(qū)別，但是當(dāng)使用LLC半橋諧振電路時，由于增加了上下MOSFET，可以實現(xiàn)零電壓開路，以確保達(dá)到預(yù)期的效果。

通常，LLC半橋諧振電路的開關(guān)動作與半橋電路的開關(guān)動作相同，但是由于增加了諧振腔，LLC半橋諧振電路中的上，下MOSFET的工作方式有很大不同，這可以實現(xiàn)MOSFET的零電壓導(dǎo)通。工作波形如下：

圖2是理想的半橋諧振電路的工作波形。在圖中，vgs1和vgs2分別是Q1和Q2的驅(qū)動波形，IR是諧振電感LR電感電流波形，IM是變壓器漏感LM電流波形，Id1和Id2分別是次級側(cè)輸出整流二極管的波形，ids1是Q1的導(dǎo)通電流。波形圖根據(jù)工作狀態(tài)分為六個階段。以下是LLC諧振電路各狀態(tài)及工作狀態(tài)的詳細(xì)分析

T0?T1：Q1關(guān)，Q2開;此時，諧振電感上的電流為負(fù)，并流向Q2。在此階段，變壓器的漏感不參與諧振，Cr和LR構(gòu)成諧振頻率，輸出能量來自Cr和LR。此階段以Q2關(guān)閉結(jié)束。下面的圖3顯示了在t0?T1工作階段中LLC半橋諧振電路的每個組件的工作狀態(tài)。

T1?T2：Q1關(guān)閉，Q2關(guān)閉;這是半橋電路的死區(qū)時間，諧振電感上的電流仍然為負(fù)。諧振電流使Q1的輸出電容器（COS）放電并使Q2的輸出電容器（COS）充電，直到Q2的輸出電容器的電壓等于輸入電壓（VIN），從而為下一次接通零電壓創(chuàng)造了條件。Q1的傳導(dǎo)。由于Q1晶體管正向偏置，而Q2晶體管正反向偏置，所以兩個電感器上的電流相等。輸出電壓高于變壓器的次級側(cè)電壓，D1和D2處于反向偏置狀態(tài)，因此輸出端子與變壓器分離。在此階段，LM，LR和Cr共同參與共振。隨著Q1的打開，T1?T2相結(jié)束。圖4顯示了LLC半橋諧振電路的每個組件在T1?T2工作階段的工作狀態(tài)。

T2?T3：Q1打開，Q2關(guān)閉（一旦Q1的輸出電容器放電至零）。此時，諧振電感上的電流仍為負(fù)，并且電流通過Q1的二極管流回到輸入（VIN）。同時，輸出整流二極管（D1）導(dǎo)通以為輸出提供能量。在此階段，變壓器的漏感（LM）不斷充電。只有LR和Cr參與共振。一旦諧振電感器LR上的電流為零，則T2-T3相結(jié)束。下面的圖5顯示了LLCT2?T3工作階段中LLC半橋諧振電路的每個組件的工作狀態(tài)。

T3?T4：此階段從諧振電感器LR電流變?yōu)樨?fù)到正，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，T2導(dǎo)通?T3相同諧振電感器電流開始從輸入端通過Q1流到地。變壓器的漏感LM由該電流充電，因此只有LR和Cr參與諧振。輸出仍由D1供電。Q1關(guān)閉時，T3?T4相結(jié)束。圖2-6顯示了LLCT3?T4工作階段中LLC半橋諧振電路各組件的工作狀態(tài)。

T4?T5：Q1關(guān)閉，Q2關(guān)閉;這是半橋電路的停滯時間。此時，諧振電感器電流對Q1的輸出電容充電，對Q2的輸出電容放電，直到Q2的輸出電容電壓為零，并且Q2的二極管導(dǎo)通，為零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。第二季度。在此期間，變壓器的次級側(cè)與初級側(cè)分離，如T1?T2所示。在空載時間內(nèi)，變壓器漏感LM參與諧振。此階段以Q2的開頭結(jié)束。下圖7顯示了T4?T5工作階段LLC半諧振電路各組件的工作狀態(tài)。

T5?T6：Q1斷開，Q2接通。由于T4?T5中Q2的輸出電容器已放電至零，因此T5?T6中Q2的導(dǎo)通電壓為零。能量由諧振電感器LR通過Q2提供，而輸出端由D2提供。此時，LM不參與LR和Cr的共振。該階段以諧振電感器LR電流變?yōu)榱愣Y(jié)束，并且重復(fù)t0?T1狀態(tài)。下面的圖8顯示了LLC半橋諧振電路在T5?T6工作階段中每個組件的工作狀態(tài)。

從上述工作狀態(tài)可以看出，除了Q1和Q2死區(qū)時間外，大多數(shù)情況下，電路可以在由LR和Cr組成的更高諧振頻率下工作。在這種情況下，變壓器的漏感被輸出電壓鉗制，因此將以LR，CR串聯(lián)諧振腔的負(fù)載形式存在，并且不會參與整個諧振過程。由于這種無源負(fù)載，LLC諧振轉(zhuǎn)換輕負(fù)載穩(wěn)壓器不再需要非常高的頻率。而且，由于這種無源LM負(fù)載，它可以在任何負(fù)載條件下工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)。

1.2參數(shù)影響

LLC諧振變換器是在串聯(lián)/并聯(lián)諧振變換器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，由于較前兩者多了一個諧振元件其設(shè)計運用也變得復(fù)雜。根據(jù)交流分析法得到LLC諧振變換器的輸入輸出特性為

1.2.1k值的影響

對于具有固定輸入/輸出和功率的轉(zhuǎn)換器，匝數(shù)比n是固定的。如圖9（a）所示，在某個Q值下，不同K值的影響：隨著K值的增加，最大增益減小，并且在低輸入電壓下可能無法達(dá)到所需的輸出電壓，并且K值的增加，最大增益減小，為保證所需的輸出電壓，轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍變寬，不利于磁性元件的工作。但是，K越小，LM就越小。LM兩端的電壓是固定的。峰值電流隨著電感的減小而增加。當(dāng)初級側(cè)開關(guān)斷開時，勵磁電感器的峰值電流流過，并且存在很大的斷開損耗。但是，如果關(guān)斷電流太小，則會影響零電壓導(dǎo)通零電壓導(dǎo)通和較小的關(guān)斷電流。

1.2.2Q值的影響

在確定了n和k值的情況下，Q值的大小直接關(guān)系到直流增益是否足夠大。對于特定的輸入電壓范圍Q值越小，所對應(yīng)的開關(guān)頻率范圍越小（對于f0<f<fr這種工作模態(tài)而言），這樣有助于磁性元件的工作;但對于確定了的Lm和Lr，Q越小Cr越大，諧振腔的阻抗變小，使得變換器的短路特性變差，在負(fù)載較重的時候盡量選擇較小的Cr以達(dá)到要求的輸出電壓。

2電路分析

當(dāng)開關(guān)頻率f<f0時可知諧振網(wǎng)絡(luò)呈容性狀態(tài)，不利于開關(guān)管的ZVS開關(guān)，就不展開討論了，下面先以開關(guān)頻率范圍f0<f<fr來分析LLC諧振電路的工作過程。

在f0<f<fr頻率范圍內(nèi)變換器會因負(fù)載不同，其工作過程也有所不同，當(dāng)電路工作在f0<f<fr范圍內(nèi)時Lr與Cr等效成一容Ceq，整個諧振腔等效為Lm和負(fù)載并聯(lián)再與Ceq，諧振腔阻抗到底呈感性還是容性就要根據(jù)頻率和負(fù)載的輕重（Q值大小）而定。運用Saber軟件對LLC半橋諧振變換器在進(jìn)行仿真，并進(jìn)行模態(tài)分析。變換器Vin=270V，Vo=360V，額定功率500W，其中諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下：Lr=27.4μ，Lm=137μ，Cr=92.4n。

2.1不同負(fù)載下的仿真與分析

2.1.1滿載

滿載情況下的模態(tài)分析及仿真波形分別如圖10及圖11所示。

Model（t0～t1）：t0時刻S2關(guān)斷，諧振電流對C2、C1（分別為S2、S1的寄生電容）充放電，S1端電壓開始下降，當(dāng)降為零時S1的體二極管導(dǎo)通，為S1的ZVS創(chuàng)造條件。變壓器原邊電壓為上正下負(fù)，D1和D4導(dǎo)通，Lm兩端電壓被箝位為nVo，iLm線性上升，諧振只發(fā)生在Lr和Cr之間，Lm未參與諧振。

Mode2（t1～t2）：t1時刻ZVS開通，諧振電流以正弦形式流經(jīng)S1。流過D1的電流為ir與iLm之差折合到副邊的值，由于T>Tr，ir經(jīng)過半個周期諧振之后S1仍開通，當(dāng)ir下降到iLm時流過D1和D4電流為零，實現(xiàn)了整流二極管的ZCS關(guān)斷。

Mode3（t2一t3）：D1和D4ZCS關(guān)斷后變壓器原副邊完全脫開，諧振網(wǎng)絡(luò)不再向副邊傳輸能量，Lm便不再被箝位于nVO，Lm與Lr、Cr一起諧振，由于Lm較Lr大得多，此時的諧振周期明顯變長，近似認(rèn)為ir保持不變。t3時刻S1關(guān)斷。

下半個周期的分析與上述過程對稱，這里就不再詳述了。

從模態(tài)分析可見整個工作過程中包括了兩個諧振過程，一個是Lr和Cr的諧振，另一個則是Lm與Lr、Cr一起諧振。

2.1.2輕載

當(dāng)負(fù)載變輕時，諧振電容上的電壓變低，如果其兩端電壓降到滿足條件

副邊整流二極管將不會導(dǎo)通。從ir和iLm的波形可以看出，向副邊傳輸?shù)哪芰肯鄬^小，原邊有較大環(huán)流存在，這使得變換器在輕載時損耗較大，然而也正因為較大的環(huán)流保證了開關(guān)管在較輕載時也能實現(xiàn)零電壓開關(guān)，如圖12所示。

2.1.3過載

負(fù)載過重時諧振電容兩端電壓紋波較大，當(dāng)滿足條件時，其工作過程較滿載情況下有所不同，在諧振電流ir下降到等于iLm后由于有太多的能量存儲在諧振電容上，較高的VCr會使整流二極管導(dǎo)通，進(jìn)入另一個諧振過程。從圖13（a）的ir和iLm波形可見這個諧振過程開關(guān)管的關(guān)斷電流（即為ir的一部分）很小，小于iLm，會使另一MOS管的開通失去零電壓開通的條件，如圖13（b）所示，諧振回路呈容性。

從上面的仿真分析可知，當(dāng)頻率一定時負(fù)載越重橋臂中點間阻抗越易呈容性，負(fù)載越輕則易呈感性，更有利于開關(guān)管的零電壓開關(guān)。

2.2與f>fr時的比較

當(dāng)開關(guān)頻率為F0<f<fr時，諧振網(wǎng)絡(luò)為感性網(wǎng)絡(luò)，這有助于導(dǎo)通開關(guān)管的ZVS，并且次級側(cè)整流二極管的電流在該頻率范圍內(nèi)是斷續(xù)的，從而實現(xiàn)了零電流將整流二極管關(guān)斷，并消除了反向恢復(fù)引起的損耗。

F>FR的差異在于，在S2的接通期間中，LR和Cr的諧振電流IR大于勵磁電流ILM，并且當(dāng)S1斷開IR時，C1和C2的充放電IR降低。當(dāng)s2zvs打開時，IR迅速減小，直到IR=ILM，并且沒有能量傳輸?shù)酱渭墏?cè)。此時，次級側(cè)整流二極管完成換相并開始另一半周期對稱工作過程，這表明LM沒有參與諧振，這更像是普通諧振。同時，整流二極管上的電流是連續(xù)的，這將由于換向過程中的反向恢復(fù)而帶來損耗。

詳細(xì)分析了LLC系列并聯(lián)諧振半橋變換器在F0<f<fr頻率范圍內(nèi)的工作條件，并對三個主要負(fù)載條件進(jìn)行了仿真和分析。描述了設(shè)計中的幾個主要參數(shù)及其對轉(zhuǎn)換器設(shè)計和應(yīng)用的影響

六、展望與總結(jié)

通過上面的討論，我們可以清楚地了解LLC軟開關(guān)技術(shù)的控制模式以及相關(guān)電源的特性。從線性電源到開關(guān)電源再到軟開關(guān)電源的發(fā)展無疑是科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步（降低能耗，提高電源效率，大大提高功率密度）。未來，LLC軟開關(guān)電源技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，效率將不斷提高。功率密度越來越高。同時，自動控制技術(shù)的引入將使軟開關(guān)電源的控制方法更加精細(xì)化和數(shù)字化，并更好地滿足信息時代人們對電源控制技術(shù)的需求。

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