半桥LLC谐振DC-DC变换器工作原理详解

作为一种被广泛应用在汽车交通、工业控制等领域的重要元件，目前DC-DC变换器已经发展出了多种不同的种类，其中，LLC谐振DC-DC变换器的应用范围十分广泛。本文将会就该种类型的DC-DC变换器工作原理进行详细介绍，希望能够对各位新人工程技术人员的设计工作提供一些帮助。

在实际的应用过程中，相信很多工程师对于半桥LLC谐振DC-DC变换器都不会陌生。这种变换器除了具有应用范围非常广泛之外，还具有输出功率高、转换效率高等显著特点，其主电路结构如下图图1所示。LLC谐振变换器一般包括三部分：方波产生电路、谐振网络和输出电路。

图1 半桥LLC谐振变换器的主电路结构

通常情况下，在变换器的设计和应用过程中，方波产生电路可以是半桥或全桥结构，这主要是根据功率需求来进行选择。通过高低端开关管的交替导通，将直流输入转换为方波。当然，为防止它们同时导通，LLC谐振控制器普遍会在高低端开关管的驱动信号之间插入固定或可调的死区时间。LLC谐振DC-DC变换器的谐振网络由三个谐振原件构成，分别为谐振电容Cs，谐振电感Ls和激磁电感Lm。

从图1所给出的半桥LLC谐振DC-DC变换器的主电路结构图中可以看出，该电路系统由以下元件构成：两个功率MOSFETQ1、Q2，Q1和Q2的占空比都是0.5，采用固定死区的互补调频控制方式来进行控制。图1还中分别给出了Q1和Q2的半导体二极管和寄生电容、谐振电容Cs、理想变压器、并联谐振电感Lm、串联谐振电感Ls、全桥整流二极管（D1、D2、D3、D4）、输出电容C0和负载R0。

在图1所示的半桥谐振变换器主电路系统中，当方波馈入谐振网络后，电流波形和电压波形将产生相位差。开关损耗为流过开关管的电流与其源漏极两端的电压乘积。此时，由于Q1、Q2在电流流过半导体二极管时开启，开启电压很低，所以损耗很小。LLC谐振变换器电路有两个谐振频率，一个是谐振电感Ls和谐振电容Cs的谐振频率，一个是Lm加上Ls与Cs的谐振频率，即：

在上文所提供的两个公式中，所求得的参数fr1为Cs与Ls的谐振频率，参数fr2为Cs、Ls和Lm的谐振频率，很显然，参数fr1>fr2。从开关频率fS与谐振频率的关系来看，LLC半桥谐振DC-DC变换器的工作状态分为fS=fr1、fr2≤fSfr1三种工作区域。下面我们进行一一介绍。

首先来看谐振DC-DC变换器的第一个工作状态，即开关频率fS等于fr1时的工作情况。在该状态下时，原边开关管Q1和Q2实现零电压开通（ZVS），副边整流二极管实现零电流（ZCS）自然关断，并且工作在电流连续状态。

接下来再来看谐振半桥式DC-DC变换器的第二种工作状态，即谐振变换器的开关频率fS工作在fr1和fr2之间时的工作运行情况。此时，励磁电感Lm参与谐振，原边开关管Q1和Q2实现零电压开通（ZVS），副边整流二极管实现零电流（ZCS）自然关断，并且工作在电流断续状态，当工作频率偏离谐振频率fr1并下降时，激磁环路电流相对增加。

当半桥式LLC谐振DC-DC变换器工作在高于fr1的开关频率时，励磁电感Lm被输出电压钳位，不参与谐振，开关管Q1、Q2实现了零电压开通，激磁环路电流相对较小，但副边整流二极管不能实现零电流自然关断。对不同负载产生的不同功率需求，变换器的开关频率也将不同。负载越轻，开关频率越高。当开关频率约等于谐振频率fr1时，LLC变换器的特性几乎与负载无关，增益仅由变压器匝数比决定。

半桥式LLC谐振DC-DC变换器在实际的应用过程中，其本身所具备的软开关特性主要体现在以下几个方面。首先，这一变换器能做到主开关管零电压开通。当Q2关断，流过谐振电感的电流is经Q1的半导体二极管放电，为Q1的零电压开通做好准备。其次，它还可以达到整流二极管零电流关断/导通的效果。当is振荡到与激磁电感电流im相等时，D1和D4因电流下降至零，自然关断。当Cs、Ls和Lm共同谐振时，变压器初级停止向次级传递能量，负载由输出电容C0供电，直到Q1关断，电流通过Q2的半导体二极管放电，为Q2实现零电压开通做准备，然后D2和D3导通，能量传递再次建立，同时实现二极管零电流导通。