终于找到了看得懂的LLC详细工作原理

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1、LLC 电路拓扑

LLC 电路是由 2 个电感和 1 个电容构成的谐振电路，故称之为 LLC。其拓扑结构根据 MOS 管的配列可以分为半桥或全桥类型。2 个电感分别为变压器一次侧漏感 (Lr) 和励磁电感(Lm)，电容为变压器一次侧谐振电容(Cr)。LLC 电路通过谐振能够实现 MOS 管的软开 (soft switching)，减少开关损耗。另外 MOS 管的通态损耗也很低，换言之产生的焦耳热也少，这样就可以不额外使用散热片进行散热。因为这些优点，LLC 电路被广泛使用在 DC/DC Converter 中。

为了方便后面的说明，我们先来简化一下电路。我们从 Lm 两端看去，把变压器、二次侧全桥整流、滤波电容及负载看成一个整体，统称为负载 Ro，那么上面的电路可以简化为下面这种形态。

假设 MOSFET 的开关频率为，Lr 和 Cr 的谐振频率为，Lr 和 Lm 和 Cr 三者的谐振频率为，则有：

根据、、三者的关系，LLC 的工作状态会有 3 种。

① 时，LLC 工作在 Lr 和 Cr 谐振状态，此时称为 LC 谐振，一次侧 MOSFET 虽然能实现软开，但二次侧二极管工作在连续导通模式 (Continuous Conduction Mode, CCM)，无法实现软开；

② 时，LLC 工作在 Lr、Lm、Cr 谐振状态，此时称为 LLC 谐振，一次侧二次侧均能实现软开；

③ 时，一次侧 MOSFET 工作在容性领域（即电路的容抗 > 感抗，电压滞后电流），此时 MOSFET 为 ZCS，相较于 ZVS 开通损失很大。

注：LLC 的 ZVS 软开仅针对 MOS 管的导通，MOS 管关断时均为硬开，不过由于寄生电容的存在，此时硬开损失较小。

本文主要介绍状态②下的 LLC 工作原理。在这之前先简单介绍一下什么是软开。

2、软开 (soft switching)

MOSFET 在进行开关的时候，其开关损失，这时叫做硬开 (hard switching)。为了减少这种损失，我们会在开关 MOSFET 时，尽量保证或任意一方为 0，这样就为 0。电压为 0V 时的软开叫做 ZVS(Zero-voltage switching)，而电流为 0A 时的软开叫做 ZCS(Zero-current switching)。硬开和软开时的损失比较如下图所示 http://www.kobe-kosen.ac.jp/~michi/akamatsu/1/![[Pasted image 20241218000145.png]]左侧：硬开关损失右侧：软开关损失

然而，软开并不是就完全没有损失。对于理想软开，如下面左图所示，电压和电流能够瞬变，此时两者没有重叠部分，损失为 0。然而实际情况如下面右图所示，电压和电流不可能完成瞬变，两者会出现重叠部分，也就必然会存在一定的损失。

我们将 MOSFET 由 OFF→ON 所需时间记为，ON→OFF 所需时间记为，把电压和电流的变化看作线性变化，则 MOSFET 导通时的损失为：

同理可得 MOSFET 关断时的损失为：

因此，一个周期内 MOSFET 的开关损失为：

3、LLC 电路工作原理

接下来开始说明一个周期内 LLC 的工作原理以及 LLC 是如何实现软开的。我们将四个 MOSFET 分别叫做 Q1~Q4，它们各自的寄生二极管以及寄生电容分别叫做 D1~D4、C1~C4。红实线为负载电流（进行电力变换的电流），蓝虚线为励磁电流（用来生成磁场的电流）。

Mode ① Q1/Q4 导通，Q2/Q3 关断

Q1/Q4 导通、Q2/Q3 关断时，负载电流的路径为电源→Q1→Lr→Ro→Cr→Q4→电源，励磁电流的路径为电源→Q1→Lr→Lm→Cr→Q4→电源，此时 Cr 充电。当 Lr 和 Cr 的谐振结束后，进入 Mode ②。

注意：为方便说明，此处的 Mode ①其实并不是指完整的 Mode ①，因为省略了励磁电流的负半周期。完整的 Mode ①详细请参考 Mode ⑤，这俩是一回事，只是方向相反而已。

Mode ② Q1/Q4 导通，Q2/Q3 关断，谐振结束

Lr 和 Cr 的谐振结束后，负载电流降为 0，此时电路里仅有励磁电流。当 Q1/Q4 关断时，进入 Mode ③。需要注意，此时会有关断损失产生，但由于 Vds1 和 Vds4 是缓慢上升（因为此时 C1 和 C4 开始充电，详细参考 Mode ③），关断损失较小。

Mode ③ Q1/Q4 关断，Q2/Q3 关断，死区时间

为了防止 Q1/Q3 和 Q2/Q4 同时导通（此时 LLC 相当于短路，大电流会烧坏 MOSFET），在切换 Leg 的时候会特意设置一个延迟时间，这就是死区时间 (Dead time)，此时 4 个 MOSFET 均关断。在这期间，C1 和 C4 开始充电，Vds1 和 Vds4 升高；C2 和 C3 开始放电，Vds2 和 Vds3 下降。当 4 个电容的充放电完成后，进入 Mode ④。

Mode ④ Q1/Q4 关断，Q2/Q3 关断，死区时间，电容充放电完成

当 C1~C4 的充放电完成后，Vds1 和 Vds4 升至电源电压，而 Vds2 和 Vds3 降至 0V。同时，因为励磁电感的存在，励磁电流并不会马上降为 0。此时电路里仅有励磁电流，其路径为 Lm→Cr→D2→电源→D3→Lr→Lm。当 Q2/Q3 导通时，进入 Mode ⑤。因为 Q2/Q3 导通时 Vds2/Vds3 均为 0V，所以这是 ZVS，MOS 管实现软开。

Mode ⑤ Q1/Q4 关断，Q2/Q3 导通

Q1/Q4 关断、Q2/Q3 导通时，LLC 进入后半周期（后半周期和前半周期一模一样，只是方向相反而已），其负载电流的路径为电源→Q2→Cr→Ro→Lr→Q3→电源。励磁电流先维持一段时间 Mode ④的路径 Lm→Cr→D2→电源→D3→Lr→Lm，待降为 0A 后反向，变成电源→Q2→Cr→Lm→Lr→Q3→电源（此过程可以参考波形图）。谐振电容 Cr 的电位会与前半周期相反，Cr 开始放电。当 Lr 和 Cr 的谐振结束后，进入 Mode ⑥。

Mode ⑥ Q1/Q4 关断，Q2/Q3 导通，谐振结束

Lr 和 Cr 的谐振结束后，负载电流降为 0，此时电路里仅有励磁电流。当 Q2/Q3 关断时，进入 Mode ⑦。跟 Q1/Q4 关断时一样，此时也会有关断损失产生，但由于 Vds2 和 Vds3 是缓慢上升（因为此时 C2 和 C3 开始充电，详细参考 Mode ⑦），关断损失较小。

Mode ⑦ Q1/Q4 关断，Q2/Q3 关断，死区时间

Q2/Q3 关断后再次进入死区时间，此时 C2 和 C3 开始充电，Vds2 和 Vds3 升高；C1 和 C4 开始放电，Vds1 和 Vds4 下降。当 4 个电容的充放电完成后，进入 Mode ⑧。

Mode ⑧ Q1/Q4 关断，Q2/Q3 关断，死区时间，电容充放电完成

当 C1~C4 的充放电完成后，Vds2 和 Vds3 升至电源电压，而 Vds1 和 Vds4 降至 0V。同时，因为励磁电感的存在，励磁电流并不会马上降为 0。此时电路里仅有励磁电流，其路径为 Lm→Lr→D1→电源→D4→Cr→Lm。当 Q1/Q4 导通时，进入 Mode ①。因为 Q1/Q4 导通时 Vds1/Vds4 均为 0V，所以这是 ZVS，MOS 管实现软开。