LLC谐振变换器：提升开关电源效率的重要开关拓扑

电路

近来，]2. LLC 电路的特点

LLC]1. LLC 转换器可以在宽负载范围内实现零电压开关。

2.]3. 采用频率控制，上下管的占空比都为50%.

4.]5. 无需输出电感，可以进一步降低系统成本。

6.]3. LLC 电路的基本结构以及工作原理

图1和图2分别给出了LLC谐振变换器的典型线路和工作波形。如图1所示LLC转换器包括两个功率MOSFET（Q1和Q2），其占空比都为0.5;谐振电容Cr,副边匝数相等的中心抽头变压器Tr,等效电感Lr,励磁电感Lm,全波整流二极管D1和D2以及输出电容Co。

图1]

图2]　而LLC有两个谐振频率，Cr, Lr 决定谐振频率fr1; 而Lm, Lr, Cr决定谐振频率fr2。

系统的负载变化时会造成系统工作频率的变化，当负载增加时，]

3.1]LLC变换器的稳态工作原理如下。

1）〔t1,t2〕

Q1关断，Q2开通，电感Lr和Cr进行谐振，次级D1关断，D2开通，二极管D1约为两倍输出电压，此时能量从Cr, Lr转换至次级。直到Q2关断。

2）〔t2,t3〕

Q1和Q2同时关断，此时处于死区时间，此时电感Lr, Lm电流给Q2的输出电容充电，给Q1的输出电容放电直到Q2输出电容的电压等于Vin.

次级D1和D2关断]3）〔t3,t4〕

Q1导通，Q2关断。D1导通，]Cr和Lr谐振在fr1, 此时Ls的电流通过Q1返回到Vin,直到Lr的电流为零次相位结束。

4）〔t4,t5〕

Q1导通， Q2关断， D1导通， D2关断，Vd2=2Vout

Cr和Lr谐振在fr1,]5）〔t5,t6）

Q1,Q2同时关断，]6）〔t6,t7〕

Q1关断，Q2导通，D1关断，]3.2 LLC谐振转换器异常状态分析

以上描述都是LLC工作在谐振模式，]3.21 启机状态分析

通过LLC]图3 LLC 仿真波形

我们将焦点放在第二个开关周期时如图4,我们发现此时也会出现跟第一个开关周期类似的尖峰电流，而且峰值会更高，同时MOSFET]

图4]对MOSFET结构有一定了解的工程师都知道，MOSFET不同于IGBT,在MOSFET内部其实寄生有一个体二极管，跟普通二极管一样在截止过程中都需要中和载流子才能反向恢复，而只有二极管两端加上反向电压才能够使这个反向恢复快速完成，而反向恢复所需的能量跟二极管的电荷量Qrr相关，而体二极管的反向恢复同样需要在体二极管两端加上一个反向电压。在启机时加在二极管两端的电压Vd=Id2 x Ron. 而Id2在启机时几乎为零，而二极管在Vd较低时需要很长的时间来进行反向恢复。如果死区时间设置不够，如图5所示高的dv/dt会直接触发MOSFET内的BJT从而击穿MOSFET.

图5

通过实际的测试，我们可以重复到类似的波形，第二个开关周期产生远比第一个开关周期高的峰值电流，同时当MOSFET在启机的时dv/dt高118.4V/ns.]

图6

3.22 异常状态分析

下面我们继续分析在负载剧烈变化时，对LLC拓扑来说存在那些潜在的风险。

在负载剧烈变化时，如短路，动态负载等状态时，LLC电路的关键器件MOSFET同样也面临着挑战。

通常负载变化时LLC]

时序1,]-传统MOSFET此时电子电流经沟道区，从而减少空穴数量

-CoolMOS此时同传统MOSFET一样电子电流经沟道，穴减少，不同的是此时CoolMOS]

时序2,]Q1和Q2关断时对于传统MOSFET和CoolMOS来说内部电子和空穴路径和流向并没有太大的区别。

时序3,]-传统MOSFET此时载流子抽出，此时电子聚集在PN节周围，空穴电流拥堵在PN节边缘。

-CoolMOS的电子电流和空穴电流各行其道，]综上，当LLC电路出现过载，短路，动态负载等条件下，一旦二极管在死区时间不能及时反向恢复，产生的巨大的复合电流会触发MOSFET内部的BJT使MOSFET失效。

有的]4. 如何更容易实现ZVS

通过以上的分析，可以看到增加MOSFET的死区时间，可以提供足够的二极管反向恢复时间同时降低高dv/dt,]

图7

对于LLC 电路来说死区时间的初始电流为

而LLC能够实现ZVS必须满足

而最小励磁电感为

根据以上3个等式，我们可以通过以下三种方式让LLC实现ZVS.

第一，]第二，增加死区时间。

第三，]从以上几种状况，我们不难分析出。增加Ipk会增加电感尺寸以及成本，增加死区时间会降低正常工作时的电压，而最好的选择无疑是减小Coss,因为减小无须对电路做任何调整，只需要换上一个Coss相对较小MOSFET即可。

5.]LLC 拓扑广泛的应用于各种开关电源当中，而这种拓扑在提升效率的同时也对MOSFET提出了新的要求。不同于硬开关拓扑，软开关LLC谐振拓扑，不仅仅对MOSFET的导通电阻（导通损耗），Qg（开关损耗）有要求，同时对于如何能够有效的实现软开关，如何降低失效率，提升系统可靠性，降低系统的成本有更高的要求。CoolMOS，具有快速的体二极管，低Coss,有的可高达650V的击穿电压，使LLC拓扑开关电源具有更高的效率和可靠性。