LLC諧振變換器，以其能實現軟開關，有效地減小開關損耗和容許高頻運行等優點，在業界得到了廣泛的重視和認可。在這里我將分享自己對LLC諧振原理的一些感悟，希望與大家一起學習進步。同時感謝電源網提供此次機會， 由于本人水平有限，如有錯誤還請讀者在評論區指出，非常感謝。那么，接下來讓我們一起學習LLC諧振原理吧。由于LLC諧振變換器原理復雜，內容較多，《從零玩轉LLC諧振電源設計》專題文章將陸續更新。 

更新計劃：

1. 普通開關變換器與諧振變換器的區別
2. 諧振原理與傅里葉級數分析
3. LLC諧振變換器主電路拓撲分析及公式推導
4. LLC諧振變換器工作模式分析
5. UCC25600外圍電路與驅動電路設計
6. LLC諧振變換器建模
7. LLC諧振變換器MATHCAD計算書及器件選型
8. LLC諧振變換器電氣原理圖及PCB設計
9. LLC諧振變換器環路參數設計（TL431+光耦）
10. LLC諧振變換器調試記錄

本帖為連載，歡迎讀者關注(所有分享不丟失)、收藏(連載文章不迷失)、點贊和分享！

      對于從事電力行業的人員來說，對電源十分熟悉，其分為“直流”和“交流”。生活中常提及和人們熟知的電源是交流市電（單相220V AC或三相380V AC），隨著科學技術的進步，用電負荷對電能的要求也愈加多樣，從而孕育出電力電子技術學科，造就了開關電源行業。電力電子技術主要講述了電能的四種變換形式，即整流（AC/DC）、斬波（DC/DC）、逆變（DC/AC）、調頻（AC/AC）。

      目前常用的直流電源分為線性穩壓電源和開關電源兩大類。由于開關電源自身消耗的能量少，效率比線性穩壓電源高，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電、工業、航天等各個行業。開關電源應用十分廣泛，有必要對其原理進行了解、對其發展趨勢有所掌握，對工作幫助極大。線性電源的優點是電路結構簡單、成本低；缺點是功率損耗大，發熱嚴重，不滿足節能要求。開關電源（Switch Mode Power Supply，即SMPS）被譽為高效節能型電源，其優點是開關頻率高、效率高；缺點是電路結構復雜，成本高。現今用電設備對電能要求非常嚴苛，不僅要求電源效率高，而且還要求體積盡量小、電磁干擾盡量小、功率密度盡量高等。

       開關電源的主要損耗來自于濾波器、功率半導體器件和高頻變壓器，其中功率半導體器件損耗占絕大部分。隨著功率器件技術的進步及電源技術的發展，開關損耗在逐漸降低，電源效率在穩步增加。傳統的開關電源均采用硬開關技術，顯然已經不能完全滿足現代工業與高科技設備用電要求，軟開關技術被提出。早期的軟開關技術主要在外國發展，90年代以后，國內的學者逐漸開始研究軟開關技術，目前已在市場得到廣泛應用。

1.1    開關變換器的調制方式

1.脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）

       其特點是開關頻率固定，通過改變脈沖寬度來調節占空比，實現穩壓目的。其核心是脈寬調制器。開關周期的固定使得濾波器設計簡單，負載變化時，通過調節占空比實現輸出電壓的穩定。此外，輸出端需接假負載（0.1%Po）以防止空載時輸出電壓飆升。目前，大多數的集成開關電源芯片采用PWM控制方式。

2.脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM）

       其特點是脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調節占空比，實現穩壓目的。其核心是脈頻調制器。電路設計中要用固定脈寬發生器來代替脈寬調制器中的鋸齒波發生器，并利用電壓－頻率轉換器（壓控振蕩器VCO）調節開關頻率。它的穩壓原理是：當輸出電壓Uo升高時，控制器輸出的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，輸出電壓Uo降低；當輸出電壓Uo降低時，控制器輸出的脈沖寬度不變而周期變短，使占空比增大，輸出電壓Uo升高。PFM控制開關電源的輸出電壓可寬范圍調節，輸出端可不接假負載。

       PWM方式和PFM方式的調制波形分別如圖1-1所示，Ton表示脈沖寬度，T表示周期。它們特點如下：

       ⑴ 均采用時間比率控制（TRC），實現輸出穩壓，改變導通時間Ton或工作周期T，結果均是調節脈沖占空比。雖然調制方式不同，但控制目標一致。

       ⑵ 當負載由輕變重或輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、升高頻率的方法使輸出電壓保持穩定。

（a）PWM脈寬調制

（b）PFM脈寬調制

圖1-1  PWM與PFM調制

3.混合調制方式（PWM和PFM共同調制）

       它包括脈寬調制和脈頻調制。由于Ton和T均可單獨調節，因此占空比調節范圍最寬，適合制作輸出電壓可寬范圍調節的電源。

       以上三種調制方式統稱為“時間比率控制”（Time Ratio Control，簡稱TRC）方式。

1.2    普通開關變換器

       普通開關變換器PWM調制方式MOS管硬開關理想工作波形如圖1-2所示。該圖為MOS管工作簡化波形（只適用于低壓），圖1-3為MOS管開通過程的實際波形（藍色和紅色實線為Vds波形，紅色和紫色虛線為Id波形），圖1-4為開通與關斷過程損耗。

圖1-2 硬開關MOS管工作示意圖

圖1-3 實際MOS管工作波形

圖1-4 開通關斷過程損耗曲線

       MOS管的損耗可分為開通損耗、導通損耗、關斷損耗、續流損耗和驅動損耗等。 計算方法如下：

開通損耗：

導通損耗：

關斷損耗：

驅動損耗：

       注：上式中：Vds－MOS管漏源極電壓，Id－MOS管電流，△T1－開通時間，fsw－開關頻率，Rds(on)－導通電阻，△T2－關斷時間，Qg－柵極電荷，Vgs－驅動電壓

       上式可以看出，隨著開關頻率的增加，MOS管的損耗也隨之增加，致使開關電源的效率降低，這與目標相悖。針對這一問題學者們紛紛展開研究，一方面從器件本身著手，通過減小導通和開通/關斷時間，降低開關損耗；另一方面從電路結構入手，改變電路結構，實現開關器件的軟開關，即ZVS和ZCS。所謂的ZVS就是零電壓開通、ZCS就是零電流關斷，該技術利用電壓與電流的相位差實現。

1.3    諧振變換器

       首次將諧振技術應用于斬波（DC-DC）變換器是外國學者，其原理是利用器件在諧振過程中電壓與電流存在相位差，且波形過零點呈周期變化，為功率開關器件軟開關創造條件，軟開關技術可以極大的減少功率器件的開通和關斷損耗，從而到達提高電源效率。功率器件實現零電壓（ZVS）開通或零電流（ZCS）關斷波形如圖1-5所示。LLC諧振變換器拓撲在上世紀就被提出，由于半導體器件自身特性限制，當時該拓撲并沒有得到推廣，而被擱置。2000年以后，隨著半導體技術難題不斷攻克，半導體功率器件也取得了突破性進展。如今，功率器件已不在是限制變換器發展的主要阻力。現代用電設備對電源的性能要求極高，為了滿足高效率、高功率密度及低紋波等優點。LLC諧振技術又被提起，現已成為廣大學者研究的焦點，同時也被大部分電源企業青睞。

（a）ZVS波形

（b）ZCS波形

圖1-5 軟開關波形

       諧振技術發展之初為串聯諧振（SRC）和并聯諧振（PRC）變換器。電路拓撲如圖1-6所示。該兩種拓撲均有自身的優點和缺點，學者們就提出了將串聯和并聯諧振優點集于一身的LLC諧振變換器。由于LLC諧振變換器原理相比其它變換器更為復雜，性能也較其它變換器優越，同時也吸引了許多學者對其展開深入的研究。學者們主要研究的方向有主電路拓撲分析、主拓撲建模、驅動波形死區時間確定、諧振參數優化、功率器件損耗分析等。

（a）串聯諧振電路

（b）并聯諧振電路

圖1-6 串聯并聯諧振電路拓撲結構

圖1-6中，串聯諧振變換器的諧振頻率為：

串聯諧振變換器的增益公式為：

從式（1.6）看出，串聯諧振變換器的增益：當開關頻率等于諧振頻率時，諧振電路呈電阻性，此時電壓增益最大。       同時諧振電容隔離回路中直流量，可防止變壓器磁飽和。串聯諧振變換器在輕載輸入條件下，開關頻率變化范圍較大，諧振網絡中循環能量很大，導致開關損耗和器件應力增大。

并聯諧振變換器的增益公式為：

并聯諧振變換器的等效負載與諧振電容：       并聯，導致變壓器初級阻抗非常小，故諧振電路中電流較大，開關管損耗增加。經以上分析知串聯和并聯諧振電路均存在缺陷。研究者發現將串聯和并聯諧振變換器的優點結合，提出了高性能的LLC諧振變換器。

        總結：此篇主要講述開關電源的調制方式，分析功率管硬開關和軟開關工作波形，引出諧振技術的優點與LLC諧振變換器的演變。

參考文獻

【1】朱立泓. LLC諧振變換器的設計[D].浙江大學,2006.

【2】余昌斌. LLC諧振半橋DC-DC變換器的研究[D].重慶大學,2007.

       希望大家多多支持我的原創文章。如有錯誤，請大家及時指正，非常感謝。