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摘 要
LLC-SRC是一种三元素串联谐振式变直流对直流变换器.其区别于传统的PWM的主要特征在于:主开关工作在零电压（ZVS）的条件下开通，整流管工作在零电流的条件下关断(ZCS)，并且在宽输入范围的状况下,其转换效率可以优化在输入电压的高端.因此,LLC-SRC可以很好解决在宽输入电压范围的情况下,其转换效率随输入电压的增加而降低的缺点和在输出整流侧,二极管的反向恢复导致较大的电压尖峰,从而增加额外的功率损耗的问题.
在本文中,对LLC串联谐振直流对直流变换器的工作原理进行全面的分析.并对在不同工作频率下的不同工作模式和工作波形都进行了详细的描述.本人实际设计了48V/26V,48V/+5.3V/-5.3V/12V两个变换器,用来对LLC串联谐振理论进行试验验证.文章最后也对在此实际的样机设计中遇到的问题和经验详细的列举出来,和大家共享.
LLC-SRC串联谐振直流对直流变换器适应于高频,宽输入范围的应用.
1.LLC串联谐振直流对直流变换器的介绍
1.1传统的DC/DC变换器存在的问题
像非对称半桥和移相全桥等传统的PWM DC/DC变换器,都受到窄的输入范围和低的转换效率的限制.这是由于这些变换器的输出是通过在开关周期固定不变的前提下调节脉冲宽度得以实现,要达到宽的输入范围的工作条件,则必须选择相应的占空比和其它关联参数来实现满负荷的输出.一般的情况下,随着占空比的减小,转换效率也随着变小.因此,对传统的变换器而言,转换效率会随着输入电压的增加而变小.但如果我们希望在宽输入电压的高端进行优化设计,那么这样的问题就变得很突出.
另外是传统的DC/DC变换器的整流二极管的反向恢复问题.在绝大部分的PWM的拓扑结构中,当二极管两端的电流下降到零在到反向,其会具有很大的di/dt的值,反向恢复电流也会由于电路中的寄生电感和电容而振荡.其表现如图1.1所示,在二极管上产生很大的尖峰电压,这样不仅增加功率损耗而且也使得通过选择二极管的电压等级方式来优化变换器效率变得很难.
尤其对于输出电压较高的时候,它的电压等级越高,反向恢复电流和尖峰电压就越高,从而导致一些严重的问题.因此,实现输出整流二极管的零电流(ZCS)关断这一特性对DC/DC变换器的设计就变得很具有吸引力.
1.2传统的谐振变换器的简要回顾
谐振变换器可分为两种类型:串联谐振(SRC)和并联谐振（PRC）.在半桥结构的拓扑中可表现如图1.2和图1.3.从图中便可看出,由电感LS和电容CS构成的谐振网络是为减少半导体开关管的开通、关断时的损耗而创造条件的.在串联谐振(SRC)中,负载和谐振网络是串联的,而在并联谐振（PRC）中,负载和并联谐振电容CP并联的.通常,当SRC或PRC变换器的开关频率小于其谐振频率时,开关在零电流条件下关断,这样可以消除关断损耗.相反,当开关频率大于其谐振频率时,开关在零电压条件下导通,这样可以消除导通损耗.
对于这两类变换器来说，其输出电压的调节都采取变化开关频率控制即变频控制.但这也有其不利的一面: 串联谐振(SRC)对较宽范围负载输出电压的调节,需要相对较宽的频率变化范围.其次,在空载的情况下输出点不能调节.而对于并联谐振（PRC）由于谐振网络和负载之间是并联关系,它在空载时输出电压仍可调节.然而,电路中的循环能量非常大,使得输出负载变小时变换效率减少很快.
多元素谐振变换器可通过使用三或四个谐振元素从SRC和PRC结构中演变得到,并且在此谐振网络中通过选择合适的元素,便可获得具有SRC和PRC最好特性的变换器.
图1.4是LCC串并联谐振结构变换器的主电路图，其可看作是从增加了一个串联电容CS的并联谐振变换器而演变得得到.相对于并联谐振（PRC），其循环能量有所减少，所以，轻载时的效率得到提升同时也具有良好的调节特性.
对于这两类变换器来说，其输出电压的调节都采取变化开关频率控制即变频控制.但这也有其不利的一面: 串联谐振(SRC)对较宽范围负载输出电压的调节,需要相对较宽的频率变化范围.其次,在空载的情况下输出点不能调节.而对于并联谐振（PRC）由于谐振网络和负载之间是并联关系,它在空载时输出电压仍可调节.然而,电路中的循环能量非常大,使得输出负载变小时变换效率减少很快.
多元素谐振变换器可通过使用三或四个谐振元素从SRC和PRC结构中演变得到,并且在此谐振网络中通过选择合适的元素,便可获得具有SRC和PRC最好特性的变换器.
图1.4是LCC串并联谐振结构变换器的主电路图，其可看作是从增加了一个串联电容CS的并联谐振变换器而演变得得到.相对于并联谐振（PRC），其循环能量有所减少，所以，轻载时的效率得到提升同时也具有良好的调节特性.
LLC谐振网络2由串联谐振电容Cs, 串联谐振电感Ls和另一个并在变压器原边的谐振电感Lm三部分组成. 串联谐振电容Cs有两个功能:1)阻止方波发生器输出电压的直流分量流到变压器.2)与Ls、Lm组成谐振网络. 串联谐振电感Ls可外加也可通过变压器的漏电感来匹配.同样,并联电感Lm可以是变压器的励磁电感或外加电感.
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