開關電源的經典拓撲結構

先來認識一下開關電源常用的幾種拓撲結構。

LLC與傳統PWM變換器的異同

與傳統PWM(脈寬調節)變換器不同的是，LLC是一種通過控制開關頻率(頻率調節)來實現輸出電壓恒定的諧振電路。

它的優點是：實現原邊兩個主MOS開關的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關斷(ZCS)，通過軟開關技術，可以降低電源的開關損耗，提高功率變換器的效率和功率密度。

ZVS 與 ZCS

由于普通的拓撲電路的開關管是硬開關的，在導通和關斷時MOS管的Vds電壓和電流會產生交疊，電壓與電流交疊的區域即MOS管的導通損耗和關斷損耗。如圖所示：

為了降低開關管的開關損耗，提高電源的效率，有零電壓開關(ZVS) 和零電流開關(ZCS)兩種軟開關辦法。

零電壓開關 (ZVS)：開關管的電壓在導通前降到零，在關斷時保持為零。

零電流開關(ZCS)：使開關管的電流在導通時保持在零，在關斷前使電流降到零。

由于開關損耗與流過開關管的電流和開關管上的電壓的成績(V*I)有關，當采用零電壓ZVS導通時，開關管上的電壓幾乎為零，所以導通損耗非常低。

● Vin為直流母線電壓，S1，S2為主開關MOS管(其中Sc1和Sc2分別為MOS管S1和S2的結電容，并聯在Vds上的二極管分別為MOS管S1和S2的體二極管)，一起受控產生方波電壓;

● 諧振電容Cr 、諧振電桿Lr 、 勵磁電桿Lm一起構成諧振網絡;

● np，ns為理想變壓器原副邊線圈;

● 二極管D1, 二極管D2，輸出電容Co一起構成輸出整流濾波網絡。

那么LLC電路是怎么實現軟開關的呢?

要實現零電壓開關，開關管的電流必須滯后于電壓，使諧振槽路工作在感性狀態。

LLC 開關管在導通前，電流先從開關MOS管的體二極管(S到D)內流過，開關MOS管D-S之間電壓被箝位在接近0V(二極管壓降)，此時讓開關MOS管導通，可以實現零電壓導通;在關斷前，由于D-S 間的電容電壓為0V而且不能突變，因此也近似于零電壓關斷(實際也為硬關斷)。

那什么是諧振呢?我們不妨先看看電感和電容的基本特性：

與電阻不同，電感和電容都不是純阻性線性器件，電感的感抗XL和電容的容抗Xc都與頻率有關，當加在電感和電容上的頻率發生變化時，它們的感抗XL和容抗Xc會發生變化。

1、如下圖RL電路，當輸入源Vin的頻率增加時，電感的感抗增大，輸出電壓減小，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而減小。

2、如下圖RC電路，相反，當輸入源Vin的頻率增加時，電容的容抗減小，輸出電壓增大，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加。

LC諧振電路的特性：

如圖，當我們將L和C都引入電路中發現，當輸入電壓源的頻率從0開始向某一頻率增加時，LC電路呈容性(容抗>感抗)，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而增加，當從這一頻率再向右邊增加時，LC電路呈感性(感抗>容抗)，增益Gain=Vo/Vin隨頻率增加而降低。這一頻率即為諧振頻率(此時感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC),諧振時電路呈純電阻性，增益最大。

諧振條件：感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC

諧振頻率：fo

諧振作用

控制讓諧振電路發生諧振，有三個參數可以調節。由于L和C的大小不方便調節，通過調節輸入電壓源的頻率，可以使L、C的相位相同，整個電路呈現為純電阻性，諧振時，電路的總阻抗達到或近似達到極值。利用諧振的特征控制電路工作在合適的工作點上，同時又要避免工作在不合適的點上而產生危害。

LLC穩定輸出電壓原理：

將LLC電路等效分析，得到i如下簡化電路。當交流等效負載Rac變化時，系統通過調整工作頻率，改變Zr 和Zo的分壓比，使得輸出電壓穩定，LLC就是這樣穩定輸出電壓的。

對LLC來說，有兩個諧振頻率，一個諧振頻率fo是利用諧振電感Lr諧振電容Cr組成;

另一個一個諧振頻率fr1是利用諧振電感Lr，勵磁電感Lm，諧振電容Cr一起組成;

詳細的LLC工作模態分析

開關網絡：S1、S2及其內部寄生二極管Ds1Ds2、寄生電容Cds1Cds2;

諧振網絡：諧振電容Cr 、串聯諧振電感Lr 、并聯諧振電感 Lm;

中心抽頭變壓器(匝比為n1)，副邊整流二極管 D1、D2;

輸出濾波電容Co (忽略電容的ESR)，負載 Ro。

LLC變換器的模態分析

對于LLC電路，存在兩個諧振頻率：

1.1.1 工作區域2(fr2

1.1.2 工作區域2(fr2

1.1.3 工作區域2(fr2

1.1.4 工作區域2(fr2

1.1.5 工作區域2(fr2

1.2 f=fr1 情況下的波形圖

1.3 f>fr1情況下的模態分析

1.3.1工作區域1(f>fr1) 模態1

1.3.2工作區域1(f>fr1) 模態2

1.3.3工作區域1(f>fr1) 模態3

1.3.4 工作區域1(f>fr1) 模態4

總結：開關頻率fr2

開關頻率f=fr1時， LLC諧振變換器工作在完全諧振狀態，原邊開關管可以實現ZVS，整流二極管工作在臨界電流模式，此時可以實現整流二極管的ZCS，消除了因二極管反向恢復所產生的損耗;

開關頻率f>fr1時， LLC諧振變換器原邊開關管在任何負載下都可以實現ZVS，但是變壓器勵磁電感由于始終被輸出電壓所鉗位，因此，只有 Lr、Cr 發生串聯諧振，而 Lm在整個開關過程中都不參與串聯諧振，且此時輸出整流二極管工作在電流連續模式，整流二極管不能實現ZCS，會產生反向恢復損耗。

看完了LLC的原理分析，我們再來簡單回顧一下開關電源的發展歷程!

20世紀60年代末，巨型晶體管(GTR)的出現，使得采用高工作頻率的開關電源得以問世，那時確定的開關電源的基本結構一直沿用至今。

后來隨著電力 MOSFET 的應用，開關電源的頻率進一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進一步提高。

20世紀80年代，IGBT的出現讓僅適用于小功率場合的開關電源在中大功率直流電源也得以發揮。很快，為了解決因開關頻率提高而引發的電磁干擾問題，出現了軟開關技術開關電路。

到了20世紀90年代，為了提高開關電源的功率因數，出現了功率因數校正技術(PFC)。

目前除了對直流輸出電壓的紋波要求極高的場合外，開關電源已經全面取代了線性穩壓電源，主要用于小功率場合。例如：計算機、電視機、各種電子儀器的電源。在許多中等容量范圍內，開關電源逐步取代了相控電源，例如：通信電源領域、電焊機、電鍍裝置等的電源。

開關電源作為一切電子電器設備的心臟，尤其在硬件行業中有著非常重要的地位。在研制高效開關電源，小功率一般用準諧振，中功率用半橋LLC，大功率用全橋LLC或移相全橋。

審核編輯：湯梓紅