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一、LLC概述

LLC电路，是一种通过控制开关频率（频率调节）来实现输出电压恒定的谐振电路，它包括一个电感L、一个电容C、一个变压器L，可分为半桥和全桥两种架构。LLC电路的工作原理是利用电抗（阻抗、感抗、容抗）来进行分压，因为感抗、容抗的大小都是频率f的函数，所以随着频率的变化，感抗、容抗的大小就会跟随着变化，励磁电感上的交流分压可以由驱动频率来进行调整，传输到次级经过整流，从而得到设计所需输出电压。

LLC电路的优点在于实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。LLC电路的设计难点包括如何实现软开关、如何改变电压增益等。

（1）软开关实现：LLC电路通过实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)的软开关方法，来降低开关损耗。零电压开关使开关开通前其两端电压为零，实现零电压开通，而零电流开关使电流关断前其电流为零，实现零电流关断。

（2）电压增益的改变：LLC电路的电压增益可以通过改变加在电感和电容上的频率来调节。当输入源的频率增加时，电感的感抗增大，输出电压减小；相反，电容的容抗减小，输出电压增大。通过调整频率，可以改变LC电路的谐振特性，从而改变输出电压的增益。

二、LLC电路拓扑

1.电路拓扑

将 LLC 谐振技术与全桥变换器相结合

由开关管 S1-S4 构成全桥拓扑结构。图中，谐振腔中的谐振电感与变压器的励磁电感分别用 Lr 和 Lm 表示，Cr 为谐振电容。输出与输入之间的隔离变压器结构也可以在中心抽头式与普通的单输出绕组之间进行选择，其中由前者构成的输出整流电路具有高效率的优势，但绕制较为困难，后者绕制简单，但效率相对较高。变压器采用中心抽头结构，由 D5、D6 组成输出整流电路，最后通过输出电容 C2进行滤波后得到直流输出电压。

2.电路工作原理

我们定义Lr和Cr 的谐振频率为第一谐振频率f1串联谐振频率；
当谐振电流下降到和励磁电流相等时，Lr 、 Lm 、Cr的表示为第二谐振f2串并联谐振频率。


根据变换器工作频率fs与第一谐振频率 f1 ，第二谐振 f2 的关系可将变换器的稳态工作区间分为三部分。
模式1：fs < f2 ;
模式2：f2 < fs < f1 ;
模式2：fs > f1 ;
根据不同的模式变换器工作特性不同。
（1）fs < f2
变换器工作在容性区，在此情况下，励磁电流将会在开关管关断前反向，开关管将不能实现ZVS开通；
（2）fs > f1
该模式下励磁电感lm不参与谐振，其两端电压一致被钳位，整流二极管电流连续，工作在硬关断模式下，因此存在反向恢复问题，不能够实现ZCS关断；
（3）f2 < fs < f1
既能实现ZVS开通，同事也能够能够实现ZCS关断，此种模式下LLC谐振变换器有宽负载范围内的软开关的优势。

3.电路原理分析

当变换器工作频率满足 f2 < fs < f1关系时，变换器处于升压状态。在该区间内，变换器通常只工作于断续导通模式(DCM)，下图即为变换器在f2 < fs < f1区间内工作的波形图。同样根据全桥变换器的模态对称原理，这里只对半个开关周期的模态进行分析，由图分析可知，在半个开关周期内共存在 5 个开关模态。
（1）模态 1(t0~t1)：此时 S1、S3 开始导通。由于谐振腔的阻抗特性为感性，谐振腔电流 Ir 相位滞后于电压，电流方向仍保持负方向，由于开关 S1、S3 的导通内阻压降较寄生二极管导通压降小，因此谐振腔电流 Ir 开始反向流过开关管 S1、S3 进行续流。副端二极管 D5 导通，励磁电感 Lm 被输出电压钳位，励磁电流线性减小，谐振腔由 Lr、Cr 组成，电路谐振频率为 f1 ，在谐振腔的作用下，谐振电流迅速减小，在该阶段内，负载端能量由励磁电感 Lm 提供。

（2）模态 2(t1~t2)：开关管继续保持导通状态，谐振电流 Ir 变为正方向，开关管S1、S3 内部开始流过电流。此模态下，二极管 D5 保持导通，励磁电感 Lm 两端仍然被副端电压钳位，励磁电流缓慢上升并保持负方向， 此时理想变压器原端电流 I1 满足 I1 = Ilm +Ir。负载端能量由母线及励磁电感共同提供，该模态下谐振腔的谐振频率为 f1。

（3）模态 3(t2~t3)：励磁电感继续保持被副端钳位的状态，谐振腔由 Lr、Cr 组成，电路工作在第一谐振频率 f 1下。励磁电流 ILm 变为正方向，与谐振电流 Ir 同方向，此时母线同时向励磁电感与负载提供能量。由于谐振作用，在该模态结束时，谐振电流迅速减小至与励磁电流相等。

（4）模态 4(t3~t4)：在此模态内，谐振电流 Ir 与励磁电流 ILm 保持等大同向，变压器原端电流下降为 0，副端整流二极管 D5 停止导通，二极管 D5 实现零电流关断，负载能量完全由输出电容 Co 提供。由于副端停止导通，副端电压对励磁电感的钳位作用消失，此时谐振腔由 Lm、Lr、Cr 组成，电路谐振频率为 f2 。

（5）模态 5(t4~t5)：所有开关管关断，该过程为硬关断，电路进入死区状态，四只开关管的寄生电容在谐振电流 Ir 的作用下开始对其中的能量进行相互转移交换，当能量转移结束后，谐振腔的输入电压 Uab 变为-UDC， S2，S4 寄生二极管的钳位电压解除，此后谐振电流通过寄生二极管进行续流。由于谐振腔的作用，励磁电感两端电压达到副端导通电压阀值，此时整流二极管 D6 开始导通，励磁电感被副端电压钳位，退出谐振腔，流过 D6 的电流开始由 0 缓慢上升，二极管实现零电流开通。由于谐振腔的作用，谐振电流 Ir 快速下降，其值小与励磁电流值，但与其保持同方向，此时负载能量由励磁电感提供。

（6）接下来的模态与以上模态对称，因此这里将不再赘述。

总结

软开关实现：LLC电路通过实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)的软开关方法，来降低开关损耗。零电压开关使开关开通前其两端电压为零，实现零电压开通，而零电流开关使电流关断前其电流为零，实现零电流关断。