LLC电路全桥和半桥工作原理详解
一、LLC电路介绍
LLC 变换器由 4 个模块组成：电源开关、谐振腔、变压器和二极管整流器。MOSFET 功率开关首先将输入的直流电压转换为高频方波；随后方波进入谐振腔，由谐振腔消除方波的谐波并输出基频的正弦波；正弦波再通过高频变压器传输到变换器的副边，并根据应用需求对电压进行升压或降压；最后，二极管整流器将正弦波转换为稳定的直流输出。
LLC器件具有软开关特性，没有复杂的控制方案。得益于软开关特性，该器件支持使用额定电压较低的元件，并可提高效率。该器件采用简单的控制方案，即具有 50% 固定占空比的变频调制方案，与相移全桥转换器等用于其他软开关拓扑的控制器相比，所需的控制器成本更低。
尽管 LLC的效率可以比硬开关反激式和正激式转换器高很多，但如果要实现最佳的效率，仍然存在一些设计挑战。首先，在LLC设计中，为了实现足够宽的可控范围，两个谐振电感器之比 (Lm /Lr) 可能必须小于10。同时，需要Lm具有较大的电感，以便降低循环电流，因此需要保持高Lr电感以确保谐振电感比值低。
1、开关电源
电源开关可以采用全桥或半桥拓扑实现，每种拓扑都具备自己独特的输出波形。这两种拓扑的主要区别在于：全桥拓扑生成的方波没有直流偏移，幅度等于输入电压 (VIN).；半桥拓扑则产生一个偏移 (VIN / 2)的方波，因此幅度仅为全桥波的一半。每种拓扑都有其自身的优缺点。全桥拓扑需要更多的晶体管，因此实施成本更高。而且，添加的晶体管会导致串联电阻(RDS(ON))增加，从而增加传导损耗；但另一方面，全桥实现可以将必要的变压器匝数比 (N) 降低一半，因此可以最大限度地减少变压器中的铜损。半桥拓扑的实施则更具成本效益，而且，它可以将电容器两端的 RMS 电流降低约 15%；不过，这种拓扑会增加开关损耗。权衡利弊之后，通常建议在功率低于 1kW 的应用中采用半桥功率开关拓扑，而在更高功率应用中则采用全桥拓扑。
2、谐振腔
谐振腔由谐振电容器 (CR) 和两个电感器组成：谐振电感器 (LR)与电容器和变压器串联，励磁电感器 (LM)则与之并联。谐振腔的作用是滤除方波的谐波，将基频开关频率的正弦波输出到变压器的输入端。LLC 变换器因谐振腔的双电感器而具有宽工作范围与高效率
（1）并联电感器的 LC 谐振腔
在轻载下，谐振腔增益有一个明显的峰值；但重载下的增益不仅没有峰值，反而有阻尼响应，并且只在非常高的频率下才达到单位增益。
（2）串联电感器的 LC 谐振腔
当谐振腔仅由串联的谐振电容器和谐振电感器 (LR) 组成时，结果则不同。其增益不会超过 1，但当负载最大时，谐振腔达到单位增益的速度要比并联电感器快得多。
3、谐振频率
LLC 谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区。这种变换有两个谐振频率。一个是 Lr 和 Cr 的谐振点， 另外一个谐振点由 Lm, Cr 以及负载条件决定。负载加重， 谐振频率将会升高。这两个谐振点的计算公式如下
考虑到尽可能提高效率， 设计电路时需把工作频率设定在 fr1 附近。其中，fr1 为 Cr, Lr 串联谐振腔的谐振频率。当输入电压下降时， 可以通过降低工作频率获得较大的增益。通过选择合适的谐振参数， 可以让 LLC 谐振变换无论是负载变化或是输入电压变化都能工作在零电压工作区
4、LLC调制方式
LLC谐振变换器常用的调制方式有：脉冲频率调制（PFM）、移相调制（PSM）以及脉冲宽度调制（PWM）。由于LLC变换器的谐振特性，脉冲频率调制（PFM）方式最为常用。此外，为了提升变换器的工作性能，一些混合控制方式也被陆续提出。
二、谐振电路介绍
LLC 半桥谐振电路的开关动作和半桥电路无异， 但是由于谐振腔的加入， LLC 半桥谐振电路中的上下 MOSFET 工作情况大不一样， 它能实现 MOSFET零电压开通。
1、半桥LLC变换器
开关电路为由开关器件S1~S4构成的全桥逆变电路；谐振电路包含谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm，并与变压器原边连接；变压器副边为由二极管D1、D2构成的全波不控整流电路，与输出电容Cf连接后接入负载。
（1）工作模态1（t0~t0）
Q1 关断、 Q2 开通；这个时候谐振电感上的电流为负， 方向流向Q2。在此阶段， 变压器漏感不参加谐振， Cr、Lr组成了谐振频率， 输出能量来自于Cr 和 Lr这个阶段随着Q2关断而结束。下图为 LLC 半桥谐振电路在 T0~ T1 工作阶段各个元器件工作状态
（2）工作模态2（t1~t2）：
Q1关断、 Q2关断；此时为半桥电路死区时间， 谐振电感上的电流仍为负， 谐振电流对Q1的输出电容（Coss） 进行放电， 并且对Q2的输出电容（Coss） 进行充电， 直到 Q2 的输出电容的电压等于输入电压（Vin） ，为 Q1 下次导统创造零电压开通的条件。由于Q 体二级管此是出于正向偏置， 而Q2的体二级管示反相偏置， 两个电感上的电流相等。输出电压比变压器二次侧电压高， D1、D2 处于反偏状态， 所以输出端与变压器脱离。此阶段, Lm 和 Lr、Cr 一同参加谐振。随着Q1开通， T1~ T2 阶段结束。下图为 LLC 半桥谐振电路在 T1~ T2 工作阶段各个元器件工作状态。
（3）工作模态3（t2~t2）
Q1开通、 Q2关断（一旦Q1的输出电容被放电放到零时）。此时谐振电感上的电流仍旧为负，电流经 Q1的体二级管流回输入端（Vin） 。同时， 输出整流二级管(D1) 导通， 为输出端提供能量。变压器漏感（Lm）在此阶段被持续充电。只有 Lr和 Cr参与谐振。一旦谐振电感Lr上的电流为零时， T2~ T3 阶段结束。下图为 LLC 半桥谐振电路在 T2~ T3 工作阶段各个元器件工作状态
（4）工作模态4（t3~t4）
此阶段始于谐振电感Lr电流变负为正， Q1开通、 Q2关断， 和 T2~T3 阶段一样。谐振电感电流开始从输入端经Q1流向地。变压器漏感Lm此时被此电流充电， 因此参加谐振的器件只有Lr和 Cr输出端仍由 D1来传输能量。随着 Q1关断， T3~ T4 阶段结束。下图为 LLC 半桥谐振电路在 T3~ T4 工作阶段各个元器件工作状态
（5）工作模态5（t4~t5）
Q1 关断， Q2 关断；此时为半桥电路死区时间。此时，谐振电感电流对 Q1 的输出电容 Coss 进行充电， 并对 Q2 的输出电容 Coss 进行放电直到 Q2 上输出电容电压为零， 导通 Q2 的体二级管， 为 Q2零电压开通创造条件。在此期间， 变压器二次侧跟 T1~ T2 阶段一样， 脱离初级侧。在死去时间， 变压器漏感Lm参与谐振。此阶段随着Q2开通而结束。下图 为 LLC 半桥谐振电路在 T4~ T5 工作阶段各个元器件工作状态
（6）工作模态6（t5~t6）
Q1关断， Q2 导通。由于 T4~ T5 阶段中Q2的输出电容已经被放电至零， 因此 T5~ T6 阶段Q2以零电压开通。能量由谐振电感 Lr 经Q2续流， 输出端由D2提供能量。此时， Lm不参与 Lr 和 Cr 的谐振。此阶段随着谐振电感 Lr 电流变为零而结束， 重复 T0~ T1 状态。下图为 LLC半桥谐振电路在 T5~ T6 工作阶段各个元器件工作状态。
2、全桥LLC变换器
开关电路为由开关器件S1~S4构成的全桥逆变电路；谐振电路包含谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm，并与变压器原边连接；变压器副边为由二极管D1、D2构成的全波不控整流电路，与输出电容Cf连接后接入负载。
（1）工作模态1（t0~t1）
在t0时刻，S1、S4开始导通，此时开关器件两端的二极管处于续流导通状态，因此S1、S4为零电压导通。该模态下Lr、Cr发生谐振，谐振腔为感性，谐振电流Ir相位滞后于电压，电流为负并迅速减小。副边二极管D1导通，Lm两端电压被钳位，励磁电流线性减小。负载端能量由励磁电感Lm提供。
（2）工作模态2（t1~t2）
S1、S4继续保持导通状态，谐振电流Ir变为正方向，S1、S4内部开始流过电流。此模态下，二极管D1保持导通，Lm两端电压仍被钳位，励磁电流缓慢上升并保持负方向， 负载端能量由母线及励磁电感共同提供，该模态下电路中由Lr、Cr发生谐振。
（3）工作模态3（t2~t3）
励磁电感继续保持被副端钳位的状态，谐振腔由Lr、Cr组成。励磁电流ILm变为正方向，与谐振电流Ir同方向，此时母线同时向励磁电感与负载提供能量。由于谐振作用，在该模态结束时，谐振电流迅速减小至与励磁电流相等
（4）工作模态4（t3~t4）
此模态内谐振电流Ir和励磁电流ILm保持相等。变压器原端电流下降为0，不再向负端进行能量传递，副边二极管D1电流降为零关断，输出电压由输出电容提供。副端电压对励磁电感的钳位作用消失，谐振腔由Lr、Cr和Lm组成。由于Lm>>Lr，可以近似为此时的谐振电流不变。
（5）工作模态5（t4~t5）
t4~t5为死区时间，四个开关器件全部关断。在谐振电流的作用下，电源给S1、S4的寄生电容充电，给S2、S3的寄生电容放电，结束后S1、S4并联二极管续流，为其后续零电压开通提供条件。此时整流二极管D2开始导通，励磁电感被副端电压钳位，退出谐振腔。此时负载能量由励磁电感提供
3、ZVS工作模式
（1）ZVS状态条件
LLC网络存在感性、容性和纯阻性三种状态。
①工作在纯阻性区域时，网络具有最高的品质因素和最佳的网络特性；
②工作在容性区域，网络实现零电流切换（ZCS）关断，适合使用IGBT；
③工作在感性区域，网络容易实现零电压切换（ZVS）开通，比较适合使用MOSFET。由于中小功率电源普遍使用MOSFET，因此常规的LLC拓扑开关电源选择在感性区域工作。
满足ZVS的两个必要条件
首先，LLC电路在其整个负载范围内都必须处于感性区域，这是最基本的条件。
其次，还有一个常常被忽视的条件。为了实现开关管的ZVS，励磁电感的峰值电流须在死区时间内完成导通开关管的结电容电，以及关断开关管结电容充电.
（2）LLC直流增益曲线
ZVS1区不能实现次级整流管的零电流切换（ZCS）关断，存在反向恢复问题；而在ZVS2区可以实现次级整流管的ZCS关断，不存在反向恢复问题。从理论上讲，工作在ZVS2区域的效率高于ZVS1区域，同时也要考虑短路性能等问题，建议选择略大于谐振点的工作点。
不同k值下的直流增益曲线如下图，图中，横坐标为fn ，纵坐标为增益M。在输入输出功率一定的变换器下，匝比n固定，在某一个Q下，直流增益曲线随k的变化情况：
① 当k增大时，其最大增益值在减小，那么在低输入电压下可能达不到要求的输出电压；
k增大时，在一定的电压范围内为了达到要求的输出电压，LLC变换器的工作频率范围加宽，这对磁性元件的工作不利；
当k减小，即Lm的值减小时，由于输出电压一定，那么在电感Lm上的电压是一个定值，由 Lm(di/dt)=u得，电流的峰值变大。而原边开关管关断时的电流即为激磁电流，那么会使关断损耗较大；但是峰值电流过小，可能会影响零电压的开通。
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