LLC谐振变换器的拓扑结构及工作原理

    在半桥串联谐振变换器(SRC)的基础上串联一个电感可得到LLC谐振变换器，其结构如图1所示：
            

LLC谐振变换器的拓扑结构

                    1.LLC谐振变换器的拓扑结构
    主要由方波输入网络、谐振网络、高频变压器、整流网络以及负载组成，其中方波输入部分包括两个功率开关管，谐振网络包含谐振电容C、谐振电感L，以及励磁电感Lm。变压器原边功率管Q1、Q2的占空比各为0.5，并以固定的死区时间互补导通，通过 控制开关频率实现变换器增益的改变。LLC谐振变换器存在两个谐振工作点，Lm不参与谐振时电路的谐振频率可表示为fr，Lm参与谐振时电路的谐振频率可表示为fm，分别如下式所示：
        

工作频率

    根据工作频率fs与谐振频率fr的关系可分为三个阶段：fm<fs<fr，fs=fr，fs>fr，------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
①：fm<fs<fr；
           

主要工作波形

               2.fm<fs<fr时的LLC谐振变换器的主要工作波形
    如图2所示，Vgs_Q1、Vgs_Q2分别代表半桥上下侧功率管的驱动信号，ir、im分别代表变换器谐振网络的谐振电流和变压器绕组上的励磁电流；VSR1和VSR2分别代表变压器副边整流管的电压，iSR1、iSR2分别代表整流管上流过的电流。根据电路一周期内的工作状 态可将其分为6个阶段：
阶段一（t0-t1）:
    t0时刻Q2关断，进入死区时间，桥臂上管的输出电容Coss1开始放电，下管的输出电容Coss2开始充电，此阶段谐振腔流过反向电流，且电流ir的绝对值小于励磁电流im的绝对值，励磁电流上的一部分能量传递到变压器副边，变压器原边绕组电压上正下负，副边绕组感应电压为上正下负，副边整流管SR1导通，励磁电感Lm的钳位电压为nV0，为线性充电状态，因此励磁电感电流在此阶段线性上升，其大小为im=nV0/Lm，此时间段内的Lm不参与谐振，只有Lr和Cr一起参与谐振。由于电容Coss1为放电状态，其放电结束时谐振电流继续反向流过开关管的体二极管，若没有及时驱动开关管Q1导通，开关管Q1将会工作在反向导通状态，会带来较大的损耗。此过程直至t1时刻谐振电流降为0结束。其状态模型如下图3所示:
   

1

            3.阶段一（t0-t1）时刻---------------------------------------------------------------------------------
阶段二（t1-t2）：
    t1时刻驱动开关管Q1导通，此时谐振电流开始正向增大，开关管Q2处于断开状态，无电流流过，谐振腔流过正向的谐振电流，此阶段的励磁电流:由反向流动变为正向流动，变压器原边绕组上的能量传递至副边绕组，电压为上正下负，整流管SR1继续导通，励磁电感Lm电压继续钳位在nV0，为线性充电状态，在t2时刻，谐振电流ir等于励磁电流im，此时副边整流管SR1的电流iSR1降为0，为整流管SR1的ZCS做好准备。此过程电路状态模型如图4所示：
   

阶段2（t01-t2）时刻

            4.阶段二（t1-t2）时刻
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阶段三（t2-t3）：
    在阶段二时励磁电感线性充电，励磁电流上升，直至t2时刻与谐振电流相等，在此阶段，变压器原边绕组无能量传递至副边，因此副边整流管SR1的电流iSR1降为0，自然关断。励磁电感L与谐振电感Lr以及谐振电容Cr三者共同参与谐振，输出电容维持负载能量，此过程直至t3时刻开关管Q1关断时结束，其电路状态模型如图5所示：
   

阶段3

            5.阶段三（t2-t3）时刻
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阶段四（t3-t4）：
    t3时刻开关管Q1关断，进入死区时间，此时开关管Q1的输出电容Coss1开始充电，开关管Q2的输出电容Coss2开始放电，此阶段励磁电流im大于谐振电流ir，变压器原边绕组电压为下正上负，副边绕组感应电压为下正上负，整流管SR2开始导通，励磁电感lm的钳位电压为-nV0;与阶段一相似，若不及时驱动开关管Q2导通，开关管Q2将会工作在反向导通状态，增加损耗。此过程直至t4时刻谐振电流ir降为0结束。其电路状态模型如图6所示:
   

阶段4

            6.阶段四（t3-t4）时刻
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阶段五（t4-t5）：
    t4时刻驱动开关管Q2导通,但此时谐振电流ir仍然大于励磁电流im,变压器原边绕组电压为上正下负，副边绕组感应电压也为上正下负，此过程与阶段二相似，SR1承受反压，负载电流将从SR1的体二极管中流过，当励磁电流im大于谐振电流ir时，SR2立即导通。此过程直至t5时刻谐振电流ir等于励磁电流im结束。此阶段电路状态模型如图7所示：
   

阶段5

            7.阶段五（t4-t5）时刻
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阶段六（t5-t6）：
    t5时刻，ir=im，之后谐振电流ir和励磁电流im同时减小，开始时谐振电流ir的绝对值小于励磁电流im的绝对值，变压器原边绕组电压为上负下正，一段时间之后，谐振电流ir的绝对值大于励磁电流im的绝对值，变压器原边绕组电压依然为上负下正，副边绕组感应电压在此阶段一直是上负下正，副边整流管SR2导通，此阶段电路状态模型如图8所示:
   

阶段6

            8.阶段六（t5-t6）时刻
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