半桥谐振DC-DC变换器开关频率运行模式简析

半桥LLC谐振型的DC-DC变换器在日常运行中拥有三个不同的运行模式，也因此能够适应多种环境下的应用需求。由于此前我们曾经专项分析过fs=fr运行模式的工作过程和运行特点，因此今天本文将会重点针对fm<fs<fr运行模式进行简要分析，帮助工程师了解其工作运行状态和运行特点。

fm<fs<fr开关频率运行简析

下面分析LLC谐振DC-DC变换器开关频率fm<fs<fr的工作原理，这是LLC最常用的工作区域，此时原边开关管实现零电压开通，副边整流二极管实现零电流关断，该工作区称为Boost区，电路工作在过谐振状态下的主要波形图如图1所示。图2显示的是fm<fs<fr的开关控制时序表，下图中图3显示各个阶段的主要工作波形和等效电路图。

图1 fm<fs<fr时主要工作波形图

图2 fm<fs<fr开关控制时序表

图3 fm<fs<fr时各阶段的等效电路

工作阶段1：t0-t1

在这一工作阶段中，半桥LLC谐振转换器的MOS管Q1和整流管D1是导通的，谐振电流ir则按正弦形式增加。激磁电感电流如按线性上升，两者之差通过副边整流后传输至负载端。变压器原边电压被副边箝位于nV0，此阶段内只有Lr和Cr参与谐振，Lm不参与谐振。

工作阶段2：t1-t2

在这一工作阶段中，半桥LLC谐振转换器在t1时刻谐振电流ir等于激磁电流im，此后，激磁电感Lm开始参与与Lr、Cr谐振，因为谐振电流等于激磁电流，变压器原副边断开，整流管Dl关断（D2亦截止）。

工作阶段3：t2-t3

在这一工作阶段中，半桥LLC谐振转换器的激磁电流im将其存储的能量转移到谐振电容Cr，在这种模式下，实现升压（Boost）作用，此时直流电压增益大于1。副边整流二极管Dl零电流关断，变压器原副边脱开，谐振网络不向负载端传递能量。此时的Lm两端电压不再受箝位限制，Lm和Lr、Cr将一起参与谐振.在此阶段内为下一阶段的Q2的ZVS创造了条件。

工作阶段4：t3-t4

在这一工作阶段中，半桥LLC谐振转换器在t3时刻以后Q1关断，谐振电流ir流过MOS管Q2的体二极管，因此在t3时刻，MOS管Q2实现了零电压开通。t4时刻以后，电路工作在下半个周期，其工作情况与上述四个个阶段完全对称，这里也不再重述。

通过对半桥LLC谐振DC-DC变换器的fm<fs<fr开关频率运行工作状态分析，我们可以看到，当开关频率fs小于fr的条件下，LLC原边开关管工作在ZVS状态，而副边整流二极管工作在ZCS状态，从而电路中的所有功率半导体器件都实现了软开关：对于原边开关管来说减小了开关损耗。对于副边整流二极管来说减小了反向恢复带来的损耗，此时的整流二极管不存在电压尖峰，可以采用耐压值更低的二极管（导通压降也会更低，成本降低，导通损耗就会更小）。