LLC串联谐振

MOSFET电容

电(dian)(dian)(dian)容（Capacitance）亦称(cheng)作“电(dian)(dian)(dian)容量(liang)”，是指在给(ji)定电(dian)(dian)(dian)位差下的电(dian)(dian)(dian)荷储藏(zang)量(liang)，记为C，国际单位是法拉(la)（F）。一般来说，电(dian)(dian)(dian)荷在电(dian)(dian)(dian)场中会受力而移动，当导(dao)体之间有了介质，则阻碍了电(dian)(dian)(dian)荷移动而使得电(dian)(dian)(dian)荷累积在导(dao)体上，造成电(dian)(dian)(dian)荷的累积储存(cun)，储存(cun)的电(dian)(dian)(dian)荷量(liang)则称(cheng)为电(dian)(dian)(dian)容。

电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)是(shi)指(zhi)容(rong)(rong)(rong)纳电(dian)(dian)(dian)场的能力。任何(he)静(jing)电(dian)(dian)(dian)场都是(shi)由许多个电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)组成(cheng)，有静(jing)电(dian)(dian)(dian)场就(jiu)有电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)，电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)是(shi)用静(jing)电(dian)(dian)(dian)场描述的。一般认为：孤立导(dao)体(ti)与无(wu)穷远处构成(cheng)电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)，导(dao)体(ti)接(jie)(jie)(jie)地(di)等效于(yu)接(jie)(jie)(jie)到无(wu)穷远处，并与大地(di)连(lian)接(jie)(jie)(jie)成(cheng)整体(ti)。

电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容（或称(cheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容量）是表现电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容器(qi)容纳电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)本领的物理量。电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容从物理学上讲，它是一种(zhong)静态电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)存储介质，可(ke)能电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)会永久存在，这是它的特征，它的用(yong)途较广，它是电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)、电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力领域中(zhong)不可(ke)缺少的电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)。主(zhu)要用(yong)于电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)滤波、信号滤波、信号耦(ou)合、谐振(zhen)、滤波、补偿、充放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)、储能、隔直流(liu)等电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路中(zhong)。

LLC谐振半桥工作原理

上图分别给(ji)出了(le) LLC 谐(xie)振变(bian)换(huan)器(qi)(qi)的(de)(de)电路图和(he)工(gong)作波(bo)形。图1中包(bao)括两个功(gong)率 MOSFET（S1 和(he)S2），其占空比(bi)都为0.5；谐(xie)振电容(rong) Cs，副边匝数(shu)相等的(de)(de)中心(xin)抽头(tou)变(bian)压器(qi)(qi) Tr，Tr 的(de)(de)漏感(gan)(gan)Ls，激磁电感(gan)(gan) Lm，Lm 在某个时(shi)间段也是(shi)一个谐(xie)振电感(gan)(gan)，因此，在 LLC谐(xie)振变(bian)换(huan)器(qi)(qi)中的(de)(de)谐(xie)振元件主(zhu)要由(you)以上3个谐(xie)振元件构成(cheng)，即谐(xie)振电容(rong) Cs，电感(gan)(gan) Ls 和(he)激磁电感(gan)(gan) Lm；半桥全波(bo)整流二极管(guan) D1 和(he) D2，输(shu)出电容(rong) Cf。LLC 变(bian)换(huan)器(qi)(qi)的(de)(de)稳(wen)态工(gong)作原理如下：

（1）（t1，t2）当(dang)t=t1 时，S2 关断(duan)，谐(xie)振(zhen)电流(liu)给S1的寄生电容放(fang)电，一(yi)直到(dao)S1上的电压为(wei)零(ling)，然后S1 的体(ti)内二级管导通(tong)。此(ci)(ci)阶段(duan)D1导通(tong)，Lm上的电压被输出(chu)电压钳位，因此(ci)(ci)，只有Ls和Cs参与谐(xie)振(zhen)。

（2）（t2，t3）当t=t2 时，S1在零电压(ya)的条件(jian)下导通(tong)，变压(ya)器原边承受正向电压(ya)；D1继续导通(tong)，S2及(ji)D2 截止。此时 Cs和(he)Ls参(can)与谐(xie)振，而Lm不参(can)与谐(xie)振。

（3）（t3，t4）当t=t3 时(shi)，S1仍然(ran)导(dao)通(tong)，而 D1与D2 处于关断状态(tai)，Tr 副边与电(dian)(dian)路(lu)脱开，此(ci)时(shi)Lm，Ls和 Cs 一起参与谐振(zhen)。实际电(dian)(dian)路(lu)中 Lm>>Ls,因此(ci)，在这个阶段可(ke)以(yi)认为(wei)激(ji)磁电(dian)(dian)流(liu)和谐振(zhen)电(dian)(dian)流(liu)都保持不变。

（4）（t4，t5）当t=t4 时，S1关断，谐(xie)振电(dian)(dian)流给S2的(de)寄生电(dian)(dian)容放电(dian)(dian)，一直到S2上(shang)的(de)电(dian)(dian)压(ya)为零，然后(hou)S2 的(de)体(ti)内(nei)二级(ji)管(guan)导通。此阶段 D2 导通，Lm 上(shang)的(de)电(dian)(dian)压(ya)被输出(chu)电(dian)(dian)压(ya)钳(qian)位，因此，只有 Ls 和Cs 参与谐(xie)振。

（5）（t5，t6）当t=t5 时，S2 在零电压(ya)(ya)的条件下(xia)导(dao)通(tong)，Tr 原边承受反向电压(ya)(ya)；D2继续导(dao)通(tong)，而S1和D1 截止。此时仅(jin) Cs和Ls 参(can)与谐(xie)振，Lm上(shang)的电压(ya)(ya)被(bei)输出电压(ya)(ya)箝位，而不(bu)参(can)与谐(xie)振。

（6）（t6，t7）当 t=t6 时，S2仍然导通(tong)，而D1和D2处于关断状(zhuang)态，Tr 副边与(yu)(yu)电(dian)路(lu)脱开，此时 Lm，Ls和Cs 一起(qi)参与(yu)(yu)谐振。实际电(dian)路(lu)中(zhong)Lm>>Ls，因此，在(zai)这个阶段可以(yi)认为(wei)激磁电(dian)流(liu)和谐振电(dian)流(liu)都保(bao)持不变。

LLC串联谐振电路

LLC串联谐振(zhen)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，根据电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)原理(li)，电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)容串联或并联可以构(gou)成谐振(zhen)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，使得(de)在电(dian)(dian)(dian)源为直流(liu)电(dian)(dian)(dian)源时，电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中得(de)电(dian)(dian)(dian)流(liu)按照正(zheng)(zheng)弦(xian)规(gui)律变化。由于电(dian)(dian)(dian)流(liu)或电(dian)(dian)(dian)压按正(zheng)(zheng)弦(xian)规(gui)律变化，存在过零点，如果(guo)此时开关器件开通或关断，产(chan)生的(de)损耗(hao)就为零。下(xia)边就分析目前所使用的(de)LLC谐振(zhen)半(ban)桥电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)。基本(ben)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)如下(xia)图所示：

其中Cr，Lr，Lm构成谐振(zhen)腔(qiang)（Resonant?tank），即所谓的LLC，Cr起隔直(zhi)电(dian)容的作(zuo)用，同时平衡变压器磁通，防止(zhi)饱和。

MOSFET电容对LLC串联谐振电路的作用

LLC的(de)优势之一(yi)就是能(neng)够在比较宽的(de)负载范围(wei)内实现原边(bian)MOSFET的(de)零电压(ya)开通（ZVS），MOSFET的(de)开通损耗理论上就降为(wei)零了。要保证LLC原边(bian)MOSFET的(de)ZVS，需要满足(zu)以下三个基本条件(jian)：

1）上(shang)下开关管50%占空比，1800对(dui)称的驱动电压波(bo)形；

2）感(gan)性谐(xie)振腔并有足够的(de)感(gan)性电流；

3）要有足够的死区(qu)时间维持ZVS。

图a)是(shi)(shi)典(dian)型的(de)(de)(de)LLC串联谐振(zhen)电(dian)(dian)路。图b)是(shi)(shi)感性(xing)负(fu)载(zai)(zai)下(xia)MOSFET的(de)(de)(de)工作波形。由于感性(xing)负(fu)载(zai)(zai)下(xia)，电(dian)(dian)流相位上(shang)(shang)会超前电(dian)(dian)压，因此(ci)保(bao)证(zheng)(zheng)了MOSFET运行(xing)的(de)(de)(de)ZVS。要保(bao)证(zheng)(zheng)MOSFET运行(xing)在感性(xing)区，谐振(zhen)电(dian)(dian)感上(shang)(shang)的(de)(de)(de)谐振(zhen)电(dian)(dian)流必须足够大，以(yi)确保(bao)MOSFET源漏间等效(xiao)的(de)(de)(de)寄生电(dian)(dian)容上(shang)(shang)存储的(de)(de)(de)电(dian)(dian)荷(he)可以(yi)在死区时间内被完全释放干净。

当原边的(de)MOSFET都(dou)处于关(guan)断(duan)状态时，串联谐(xie)振电路(lu)中(zhong)的(de)谐(xie)振电流会对开(kai)关(guan)管MOSFET的(de)等效输出电容进行充放电。MOSFET都(dou)关(guan)断(duan)时的(de)等效电路(lu)如下(xia)图所(suo)示：

通过对上图(tu)的(de)(de)分析(xi)，可以得出需要(yao)(yao)满足ZVS的(de)(de)两个必要(yao)(yao)条(tiao)件(jian)，如(ru)下(xia)：

公式看上去虽然简单，然而一(yi)个关(guan)于MOSFET等效(xiao)输(shu)出电(dian)(dian)容(rong)Ceq的实(shi)际情(qing)况，就是(shi)MOSFET的等效(xiao)寄生电(dian)(dian)容(rong)是(shi)源漏极电(dian)(dian)压Vds的函数(shu)，之前的文(wen)章对于MOSFET的等效(xiao)寄生电(dian)(dian)容(rong)进行过详细(xi)的理(li)论和实(shi)际介绍(shao)。，也(ye)就是(shi)说，等效(xiao)电(dian)(dian)容(rong)值的大小会随着Vds的变(bian)化而变(bian)化。如下图所示，以Infineon的IPP60R190P6为例：

LLC串联谐(xie)振电(dian)路MOSFET的Vds放电(dian)过程分为四(si)个阶段，如(ru)下图(tu)所示， (I) 380V-300V; (II) 300V-200V; (III) 200V-100V; (IV)100V-0V。

从图(tu)中可以(yi)看(kan)出，(I)和(IV)两部分(fen)(fen)(fen)占(zhan)据(ju)(ju)了(le)Vds放(fang)电(dian)时(shi)间(jian)的将近(jin)2/3，此时(shi)谐振(zhen)腔的电(dian)感电(dian)流基本不(bu)变。这两部分(fen)(fen)(fen)之所以(yi)占(zhan)据(ju)(ju)了(le)Vds放(fang)电(dian)的大部分(fen)(fen)(fen)时(shi)间(jian)，主要(yao)原(yuan)因(yin)在于当Vds下降到接近(jin)于0的时(shi)候，MOFET源漏间(jian)的寄生电(dian)容Coss会指(zhi)数的增(zeng)加。因(yin)此要(yao)完全释(shi)放(fang)掉这一部分(fen)(fen)(fen)的电(dian)荷，需(xu)要(yao)更长(zhang)的LLC谐振(zhen)周(zhou)期和释(shi)放(fang)时(shi)间(jian)。

因此选(xuan)择合适的(de)(de)MOSFET(足够(gou)小的(de)(de)等(deng)效(xiao)寄生电(dian)(dian)容)，对于(yu)ZVS的(de)(de)实(shi)现至关重要，尤(you)其(qi)是当Vds接近于(yu)0的(de)(de)时候，等(deng)效(xiao)输出电(dian)(dian)容要足够(gou)小，这样还可以进一(yi)步降低死区时间并提高LLC的(de)(de)工作效(xiao)率。

下图进一步说明如何(he)选择合适的ZVS方案。

图（a）：理想(xiang)的ZVS波形；

图（b）：Vds还没下降到0，Vgs已经(jing)出现。此种情况下，LLC串联谐振就会发生硬(ying)开关。应(ying)对之策(ce)需要减少(shao)变压器的(de)励磁电流(liu)，或者适(shi)当(dang)增加(jia)死区时间(jian)（如果IC选定(ding)，死区时间(jian)一(yi)般就固定(ding)了）；

图（c）：实现了ZVS，但是谐(xie)振腔的电流不(bu)足(zu)以维(wei)持MOSFET体(ti)内二极(ji)管(guan)的持续导通。

图（d）死区时间(jian)过于长了，会降低整个LLC的(de)工作效率。

总之，MOSFET的(de)(de)(de)等(deng)效(xiao)输(shu)出电容对于(yu)LLC原边MOSFET ZVS的(de)(de)(de)实现是至(zhi)关(guan)重要的(de)(de)(de)。如果MOSFET已经(jing)选定，谐(xie)振(zhen)腔(qiang)需要仔细(xi)计(ji)(ji)算、调试和设(she)定，并选取(qu)合适的(de)(de)(de)死区时间，来覆盖所(suo)有负载的(de)(de)(de)应用范围。实际应用中(zhong)对于(yu)稳态运行(xing)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)开关(guan)都可以通过(guo)设(she)计(ji)(ji)进行(xing)修(xiu)正(zheng)从而达到稳定运行(xing)的(de)(de)(de)设(she)计(ji)(ji)目的(de)(de)(de)。然而开机过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)开关(guan)（软启高频到低(di)频过(guo)程(cheng)中(zhong)），尤其是开机过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)头几个开关(guan)周期，对于(yu)有些设(she)计(ji)(ji)和方案(an)，硬(ying)(ying)开关(guan)是避免不(bu)了的(de)(de)(de)。

LLC串联谐振电路特征

（1）变频控制

（2）固定占空比50％

（3）在开关管(guan)轮(lun)替(ti)导通(tong)之(zhi)间存在死区时间（Dead?Time），因(yin)此Mosfet可以零(ling)电压开通(tong)（ZVS）,二(er)次(ci)侧Diode可以零(ling)点流关断，因(yin)此二(er)极管(guan)恢复损耗很小

（4）高效率，可以(yi)达到92％+

（5）较(jiao)(jiao)小的输出涟波，较(jiao)(jiao)好的EMI

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