经典|从零开始学习LLC软开关！

1970年左右，巨型晶体管（GTR）的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。

更早期研究晶体管的半导体祖师爷！

后来随着MOSFET的应用，开关电源的频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。

晶体管内部结构示意图

20世纪80年代，IGBT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源也得以发挥。为了解决因开关频率提高而引发的电磁干扰问题，出现了软开关技术开关电路。

知名德国品牌的IGBT模块

到了20世纪90年代，为了提高开关电源的功率因数，出现了功率因数校正技术（PFC）。

目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外，开关电源已经全面取代了线性稳压电源，主要用于各种功率场合。例如：计算机、电视机、各种电子仪器的电源。

在许多中等容量范围内，开关电源逐步取代了相控电源，例如：通信电源领域、电焊机、电镀装置等的电源。

2020年伊始至今，新基建正式站上风口。

新型基础设施建设，主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等领域，涉及诸多产业链，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。

说直白一些：新基建让网络变得更快，让电网更加强悍，让高铁去到更多地方，让电动汽车在街上跑的更顺畅，让大数据发挥作用，让人工智能服务于工作和生活，让智能制造更快实现。

新时代，新基建，需要新思路！

电动汽车、充电桩需要大量使用电源，电源可谓是新基建的基建工程。对于性能的新需求，对于可靠性的极致要求，都将驱使电源理论界与工业界研发得更加迅猛。

开关电源作为一切电子电器设备的心脏，尤其在硬件行业中有着非常重要的地位。在研制高效开关电源，小功率一般用准谐振，中功率用半桥LLC，大功率用全桥LLC或移相全桥。

不难看出LLC谐振是电源技术的超级明星，是电源工程师们必须掌握的技能之一，然而此技术仍然只掌握在少数电源工程师手上，是很多工程师心中难以跨越的一座大山，那么电源工程师们该如何突破瓶颈呢？

仔细反复地阅读本文，就是学习LLC的有效方法。

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以下，enjoy~

与传统PWM（脉宽调节）变换器不同，LLC是一种通过控制开关频率（频率调节）来实现输出电压恒定的谐振电路。

它的优点是：实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。

由于普通的拓扑电路的开关管是硬开关的，在导通和关断时MOS管的Vds电压和电流会产生交叠，电压与电流交叠的区域即MOS管的导通损耗和关断损耗。如图所示：

为了降低开关管的开关损耗，提高电源的效率，有零电压开关(ZVS) 和零电流开关（ZCS)两种软开关办法。 

由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的乘积（V*I）有关，当采用零电压ZVS导通时，开关管上的电压几乎为零，所以导通损耗非常低。

►Vin为直流母线电压，S1，S2为主开关MOS管（其中Sc1和Sc2分别为MOS管S1和S2的结电容，并联在Vds上的二极管分别为MOS管S1和S2的体二极管），一起受控产生方波电压；

►谐振电容Cr 、谐振电杆Lr 、 励磁电杆Lm一起构成谐振网络；

►np，ns为理想变压器原副边线圈；

►二极管D1, 二极管D2，输出电容Co一起构成输出整流滤波网络。

要实现零电压开关，开关管的电流必须滞后于电压，使谐振槽路工作在感性状态。

LLC 开关管在导通前，电流先从开关MOS管的体二极管（S到D）内流过，开关MOS管D-S之间电压被箝位在接近0V（二极管压降），此时让开关MOS管导通，可以实现零电压导通；在关断前，由于D-S 间的电容电压为0V而且不能突变，因此也近似于零电压关断（实际也为硬关断）。

我们不妨先看看电感和电容的基本特性：

与电阻不同，电感和电容都不是纯阻性线性器件，电感的感抗XL和电容的容抗Xc都与频率有关，当加在电感和电容上的频率发生变化时，它们的感抗XL和容抗Xc会发生变化。

1、如下图RL电路，当输入源Vin的频率增加时，电感的感抗增大，输出电压减小，增益Gain=Vo/Vin随频率增加而减小。

2、如下图RC电路，相反，当输入源Vin的频率增加时，电容的容抗减小，输出电压增大，增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加。

如图，当我们将L和C都引入电路中发现，当输入电压源的频率从0开始向某一频率增加时，LC电路呈容性（容抗＞感抗），增益Gain=Vo/Vin随频率增加而增加，当从这一频率再向右边增加时，LC电路呈感性（感抗＞容抗），增益Gain=Vo/Vin随频率增加而降低。这一频率即为谐振频率（此时感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC）,谐振时电路呈纯电阻性，增益最大。

谐振条件：感抗=容抗，XL=Xc=ωL=1/ωC

谐振频率：fo

控制让谐振电路发生谐振，有三个参数可以调节。由于L和C的大小不方便调节，通过调节输入电压源的频率，可以使L、C的相位相同，整个电路呈现为纯电阻性，谐振时，电路的总阻抗达到或近似达到极值。利用谐振的特征控制电路工作在合适的工作点上，同时又要避免工作在不合适的点上而产生危害。

将LLC电路等效分析，得到i如下简化电路。当交流等效负载Rac变化时，系统通过调整工作频率，改变Zr 和Zo的分压比，使得输出电压稳定，LLC就是这样稳定输出电压的。

对LLC来说，有两个谐振频率，一个谐振频率fo是利用谐振电感Lr谐振电容Cr组成；
另一个一个谐振频率fr1是利用谐振电感Lr，励磁电感Lm，谐振电容Cr一起组成；

开关网络：S1、S2及其内部寄生二极管Ds1\Ds2、寄生电容Cds1\Cds2;

谐振网络：谐振电容Cr 、串联谐振电感Lr 、并联谐振电感 Lm;

中心抽头变压器（匝比为n:1:1），副边整流二极管 D1、D2；

输出滤波电容Co （忽略电容的ESR），负载 Ro。

1.1 LLC变换器的模态分析

对于LLC电路，存在两个谐振频率：

1.1.1 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态1

1.1.2 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态2

1.1.3 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态3

1.1.4 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态4

1.1.5 工作区域2(fr2<f<fr1) 模态5

1.2 f=fr1 情况下的波形图

1.3 f>fr1情况下的模态分析

1.3.1工作区域1（f>fr1） 模态1

1.3.2工作区域1（f>fr1） 模态2

1.3.3工作区域1（f>fr1） 模态3

1.3.4 工作区域1（f>fr1） 模态4

总结：开关频率fr2<f<fr1时，且谐振网络工作在感性区域时，LLC变换器原边开关管实现ZVS，且流过输出整流二极管的电流工作在断续模式，整流二极管实现ZCS，消除了因二极管反向恢复所产生的损耗；

开关频率f=fr1时， LLC谐振变换器工作在完全谐振状态，原边开关管可以实现ZVS，整流二极管工作在临界电流模式，此时可以实现整流二极管的ZCS，消除了因二极管反向恢复所产生的损耗；

开关频率f>fr1时， LLC谐振变换器原边开关管在任何负载下都可以实现ZVS，但是变压器励磁电感由于始终被输出电压所钳位，因此，只有 Lr、Cr 发生串联谐振，而 Lm在整个开关过程中都不参与串联谐振，且此时输出整流二极管工作在电流连续模式，整流二极管不能实现ZCS，会产生反向恢复损耗。