LLC谐振变换器学习三

LLC 变换器的不同谐振区域的工作过程及特点

LLC 谐振变换器有两个谐振频率：当副边二极管其中任何一个导通时，二元件谐振，谐振频率为fr1 ；当副边二极管都关断时，三元件谐振，谐振频率为fr2 。根据输入输出电压比、输出负载、谐振槽参数的不同，如果副边两个二极管始终交替导通，我们称变换器工作在 CCM（连续导通）状态；如果存在一定的时间段，两个二极管都关断，我们称变换器工作在 DCM（断续导通）状态。在 CCM 工作模式中，谐振电感 Lm总是被输出电压钳位，它就相当于普通串联谐振电路中的一个感性负载，从来不参与谐振。而在 DCM 模式，副边二极管都关断，Lm不再被输出电压钳位，也变为了谐振槽的一部分，和 Cr，Lr一起谐振。
LLC 谐振变换器的三种基本的工作区域：谐振工作点、超谐振区域以及次谐振区域。在此基础上，根据负载的变化，将三个谐振区域进一步细分，具体如下：
1 谐振工作点处，即开关频率 fs等于谐振频率 fr1，LLC 谐振变换器工作在 CCM 模式，此点效率最高，是变换器的最佳工作点。
变换器在这一工作阶段有以下特点：首先，励磁电感 Lm从来没有参与谐振，流过它的电流是一个三角波。工作在这种状态下的 LLC 变换器，实际上是一个带着阻感负载（等效电阻 Rac与 Lm并联）的 LC 串联谐振变换器。
其次，开关频率等于谐振频率时，Lr与 Cr的电压互相抵消为零，相当与输入电压源两端直接接在阻感负载（Lm与 Rac并联）两端。理想状态下，此时的输出电压只与输入电压和变压器匝比有关，和负载没有关系。所以这一点也被称为负载独立点。实际电路中，由于一些寄生参数（MOSFET 的寄生电阻、变压器电阻、副边二极管的等效电阻等），输出电压会随着负载有着微小的变化。在这一点既能实现ZVS也能实现ZCS，且是刚好实现ZCS的临界点。

下图是谐振点时谐振电流与励磁电流仿真波形
在这里插入图片描述

2超谐振区域，即开关频率 fs大于谐振频率 fr1的区域。在这一区域里，ZVS 始终存在。根据负载的不同，谐振电流会发生变化，可以分为重载 CCM模式与轻载 DCM 模式。
变换器在超谐振工作区域有以下特点：首先，励磁电感 Lm从不参与谐振，LLC 谐振变换器可以看做带有阻感负载的 LC 谐振变换器。
当 Ir与 Im相等的时候，副边二极管电流会达到零。所以在超谐振区域重载 CCM 模式下，副边二极管不能完全实现 ZCS，这是超谐振区域的缺点之一。在超谐振区域，开关管关断时的电流比较大，所以开关管的关断损耗会较高，这是超谐振区域的缺点之二；超谐振区域，空载时变换器调频调压能力会比较低，这是超谐振区域缺点之三。

当负载变轻时，LLC 变换器的工作状态会由 CCM 模式转化为 DCM 模式。最主要的区别有以下二点：
（1）与重载时不同，副边二极管可以实现 ZCS。Ir与 Im在开关管关断之前就已经相等，此时副边二极管电流为零。LLC 变换器进入断续工作模式（DCM），副边二极管实现 ZCS。
（2）随着负载的变轻，谐振槽电流 Ir不再是正弦波，而是由正弦波逐渐向三角波转变。

下图为超谐振时谐振电流与励磁电流仿真波形
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3 次谐振区域，即开关频率 fs大于谐振频率 fr2而小于谐振频率 fr1的区域，这里特指开关管可以实现 ZVS 的部分。根据负载的不同引起谐振电流的变化，可以分为轻载 DCM 模式与重载 DCM 模式。

在这一区域内，不论负载的轻重，LLC 变换器的工作状态总为 DCM 模式，只是波形略有不同。
变换器在这一工作阶段有以下特点：首先，励磁电感 Lm不在总被输出电压钳位，电路会出现三元件谐振状态，也就是无功环流状态，无能量传送到副边。变换器工作在 DCM 模式。这种状态造成变换器的效率的降低。
其次，副边二极管有同时关断的时刻，可以完全实现 ZCS。无论是轻载还是重载，在次谐振区域，副边二极管都可以实现零电流关断。最后，在次谐振工作区域的好处是电压调节能力较强，在宽电压输入下可以有效地控制开关频率变化范围。工作在次谐振区域的缺点是额定输入电压下，变换器可能不工作在谐振点处，造成效率的降低。
当负载逐渐变轻时，谐振电流 Ir由之前的正弦波形逐渐向三角波转变。变换器工作状态变化不大，依然工作在 DCM 模式，副边二极管始终工作在 ZCS模式，如果谐振参数正确设置，不论轻载还是重载，开关管始终可以满足零电压开通。

下图为次谐振时谐振电流与励磁电流仿真波形
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