LLC工作过程详述

1 简述
2 主拓扑
3 具体工作过程

3.1 f s f_{s} fs> f r f_{r} fr时工作过程
3.1 f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时工作过程

1 简述

LLC开关电源一般使用PFM，在某些工况下可能使用PWM。
LLC具有三个谐振器件，两个谐振频率。常说的谐振频率是指谐振电感与谐振电容的谐振频率 f r f_{r} fr。还有一个是谐振电感、谐振电容和励磁电感之间的谐振，谐振频率 f r 1 f_{r_{1}} fr1。
对于PFM，根据开关频率和谐振频率的关系分为三种情况。
1 f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr，工作于谐振频率 f r f_{r} fr之上。该频率段LLC的开关管可实现ZVS。
2 f r 1 < f s < f r f_{r_{1}}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr，工作于谐振频率 f r f_{r} fr之下，但高于另一个谐振频率 f r 1 f_{r_{1}} fr1。该频率段LLC的开关管可实现ZVS和整流二极管可实现ZCS。
3 f s < f r 1 f_{s}<f_{r_{1}} fs<fr1，工作频率小于谐振频率 f r 1 f_{r_{1}} fr1。可以实现LLC开关管的ZCS。

2 主拓扑

以全桥LLC，副边全波整流为例，进行说明。拓扑如下：

说明：D11与下文中的副边D1，D12与下文中的副边D2是同一个器件，均为副边整流二极管。开关管的体二极管D1、D2与副边二极管D1、D2不是同一个器件，画图失误。

3 具体工作过程

根据三种状态分别分析，
(1) f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时，波形如下图。其中 f s f_{s} fs是工作开关频率， f r f_{r} fr为谐振频率。

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时工作波形

其中， i L r i_{L_{r}} iLr是谐振电流， i L m i_{L_{m}} iLm是励磁电流， i 0 i_{0} i0是副边整流二极管后的电流， g 1 , 4 g_{1,4} g1,4是Q1和Q4的驱动信号， g 2 , 3 g_{2,3} g2,3是Q2和Q3的驱动信号。

(2) f s = f r f_{s}=f_{r} fs=fr时，波形如下图：

f s = f r f_{s}=f_{r} fs=fr时工作波形

在 f s = f r f_{s}=f_{r} fs=fr时，当脉冲信号结束时，谐振电流刚好等于励磁电流，管子的并联电容开始充放电；整流二极管的电流处于断续和连续的临界状态。

(3) f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时，波形如下图：

f r 1 < f s < f r f_{r_{1}}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时工作波形

3.1 f s f_{s} fs> f r f_{r} fr时工作过程

(1) t 0 t_{0} t0~ t 1 t_{1} t1时间段

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 0 t_{0} t0~ t 1 t_{1} t1时间段

其中，红色表示流通。

当 t 0 t_{0} t0~ t 1 t_{1} t1段时，Q1和Q4开通，电路通路如红线所示。此时 i L r > i L m i_{L_{r}}>i_{L_{m}} iLr>iLm，有输出电流，且为正； t 0 t_{0} t0时刻， V C 1 V_{C_{1}} VC1和 V C 4 V_{C_{4}} VC4为二极管管压降， V C 2 V_{C_{2}} VC2和 V C 3 V_{C_{3}} VC3和为 V i n V_{in} Vin ，因此开关管是ZVS。当 t 1 t_{1} t1时刻，Q1和Q4脉冲信号结束，此时间段结束。

(2) t 1 t_{1} t1~ t 2 t_{2} t2时间段

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 1 t_{1} t1~ t 2 t_{2} t2时间段

当在 t 1 t_{1} t1~ t 2 t_{2} t2时，四个管子均关断，由于此时 i L r > i L m i_{L_{r}}>i_{L_{m}} iLr>iLm，所以还继续有输出电流，并且谐振电感给Q1和Q4的并联电容开始充电，Q2和Q3的电容也开始放电，当电压下降到0时，D2和D3导通，此时 V C 2 V_{C_{2}} VC2和 V C 3 V_{C_{3}} VC3为二极管管压降；随着 i L r i_{L_{r}} iLr的减小， i L m i_{L_{m}} iLm的增大，会有 i L r = i L m i_{L_{r}}=i_{L_{m}} iLr=iLm，此阶段结束。

(3) t 2 t_{2} t2时刻

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 2 t_{2} t2时刻

在t2时刻之前，C2和C3电压已下降，C2、C3体二极管已导通， V C 2 V_{C_{2}} VC2和 V C 3 V_{C_{3}} VC3为二极管管压降。

(4) t 2 t_{2} t2~ t 3 t_{3} t3时间段

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 2 t_{2} t2~ t 3 t_{3} t3时间段

当 t 2 t_{2} t2~ t 3 t_{3} t3时，四个管子继续关断，谐振电流和励磁电流继续下降，此时 i L r < i L m i_{L_{r}}<i_{L_{m}} iLr<iLm，变压器原边电流为负，副边D2导通。由于副边D1的电流没有被截止，因此副边D1没有实现零电流关断。当Q2和Q3管子脉冲信号来时，此阶段结束。

(5) t 3 t_{3} t3~ t 4 t_{4} t4时间段

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 3 t_{3} t3~ t 4 t_{4} t4时间段

当 t 3 t_{3} t3~ t 4 t_{4} t4时，Q2和Q3导通，由于此时Q2和Q3的电压被二极管钳位，因此可以实现零电压开通；开通后 V C 2 V_{C_{2}} VC2和 V C 3 V_{C_{3}} VC3此时为MOSFET管压降， V C 1 V_{C_{1}} VC1和 V C 4 V_{C_{4}} VC4为 V i n V_{in} Vin，变压器原边电流还是为负，副边D2导通。当Q2和Q3脉冲结束，此阶段结束。

(6) t 4 t_{4} t4~ t 5 t_{5} t5时间段

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 4 t_{4} t4~ t 5 t_{5} t5时间段

当 t 4 t_{4} t4~ t 5 t_{5} t5时，谐振电流给Q2和Q3的并联电容充电，Q1和Q4的并联电容放电。当Q1和Q4的并联电容，电压为0，Q1和Q4的二极管导通，Q1和Q4的电压被钳位为二极管管压降；当谐振电流和励磁电流大小相同时，此阶段结束。

(7) t 5 t_{5} t5时刻

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 5 t_{5} t5时刻

当在 t 5 t_{5} t5时刻，谐振电流等于励磁电流，没有输出电流。

(8) t 5 t_{5} t5~ t 6 t_{6} t6时间段

f s > f r f_{s}>f_{r} fs>fr时 t 5 t_{5} t5~ t 6 t_{6} t6时间段

当 t 5 t_{5} t5~ t 6 t_{6} t6时，四个管子继续关断，谐振电流和励磁电流幅值继续下降，此时幅值大小关系为。原边电流开始为正，副边D1导通，且增大，此阶段到Q1和Q4的脉冲信号到来。然后继续循环。

3.1 f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时工作过程

(1) t 0 t_{0} t0~ t 1 t_{1} t1时间段

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时 t 0 t_{0} t0~ t 1 t_{1} t1时间段

当 t 0 t_{0} t0~ t 1 t_{1} t1时，Q1和Q4开通，电路通路如红线所示。此时 i L r > i L m i_{L_{r}}>i_{L_{m}} iLr>iLm，有输出电流，且为正；开通后 V C 1 V_{C_{1}} VC1和 V C 4 V_{C_{4}} VC4为MOSFET管压降， V C 2 V_{C_{2}} VC2和 V C 3 V_{C_{3}} VC3为 V i n V_{in} Vin，当t1时刻， i L r = i L m i_{L_{r}}=i_{L_{m}} iLr=iLm ，此时间段结束。

(2) t 1 t_{1} t1~ t 2 t_{2} t2时间段

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时 t 1 t_{1} t1~ t 2 t_{2} t2时间段

此阶段，Q1和Q4没有关断， i L r = i L m i_{L_{r}}=i_{L_{m}} iLr=iLm，两个电感和电容进行谐振，该谐振频率低。此时副边电流为0，输出电容向负载放电。该阶段持续到Q1和Q4关断。Q1和Q4关断的时候，因此整流二极管电流副边D1已经为0，因此整流二极管副边D1可以实现ZCS。

(3) t 2 t_{2} t2~ t 3 t_{3} t3时间段

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时 t 2 t_{2} t2~ t 3 t_{3} t3时间段

Q1和Q4关断后，谐振电流给Q1和Q4的并联电容充电，Q2和Q3的并联电容放电,。当Q2和Q3的并联电容，电压为0，Q2和Q3的二极管导通，Q2和Q3的电压被钳位为二极管管压降。Q2和Q3开通，此阶段结束。

(4) 放电完成
当并联电容充放电完成时，如下图，该状态是在 t 2 t_{2} t2~ t 3 t_{3} t3时间段。

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时充放电完成

(5) t 3 t_{3} t3~ t 4 t_{4} t4时间段

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时 t 3 t_{3} t3~ t 4 t_{4} t4时间段

当 t 3 t_{3} t3~ t 4 t_{4} t4时，Q2和Q3导通，由于此时Q2和Q3的电压被二极管钳位，因此可以实现零电压开通；开通后 V C 2 V_{C_{2}} VC2和 V C 3 V_{C_{3}} VC3此时为MOSFET管压降， V C 1 V_{C_{1}} VC1和 V C 4 V_{C_{4}} VC4为 V i n V_{in} Vin，变压器原边电流为负，副边D2导通。 i L r = i L m i_{L_{r}}=i_{L_{m}} iLr=iLm，此阶段结束。

(6) t 4 t_{4} t4~ t 5 t_{5} t5时间段

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时 t 4 t_{4} t4~ t 5 t_{5} t5时间段

此阶段，Q2和Q3没有关断， i L r = i L m i_{L_{r}}=i_{L_{m}} iLr=iLm，两个电感和电容进行谐振，该谐振频率低。此时副边电流为0，输出电容向负载放电。该阶段持续到Q2和Q3关断。Q2和Q3关断的时候，因此整流二极管电流已经为0，因此整流二极管ZCS。
(7) t 5 t_{5} t5~ t 6 t_{6} t6时间段

f r 1 < f s < f r f_{r1}<f_{s}<f_{r} fr1<fs<fr时 t 5 t_{5} t5~ t 6 t_{6} t6时间段

Q2和Q3关断后，谐振电流给Q2和Q3的并联电容充电，Q1和Q4的并联电容放电,。当Q1和Q4的并联电容，电压为0，Q1和Q4的二极管导通，Q1和Q4的电压被钳位为二极管管压降。Q1和Q4开通，此阶段结束。

(8) 充放电完成

充放电完成后波形如下图所示，该状态在 t 5 t_{5} t5~ t 6 t_{6} t6时间段