開關電源的經(jīng)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(tǒng)PWM變換器的異同

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

它的優(yōu)點是：實現(xiàn)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(qū)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(lián)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(wǎng)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(wǎng)絡。

那么LLC電路是怎么實現(xiàn)軟開關的呢?

要實現(xiàn)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(tài)。

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(xiàn)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(fā)生變化時，它們的感抗XL和容抗Xc會發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(fā)生諧振，有三個參數(shù)可以調節(jié)。由于L和C的大小不方便調節(jié)，通過調節(jié)輸入電壓源的頻率，可以使L、C的相位相同，整個電路呈現(xiàn)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(wěn)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(tǒng)通過調整工作頻率，改變Zr 和Zo的分壓比，使得輸出電壓穩(wěn)定，LLC就是這樣穩(wěn)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(tài)分析

開關網(wǎng)絡：S1、S2及其內部寄生二極管Ds1Ds2、寄生電容Cds1Cds2;

諧振網(wǎng)絡：諧振電容Cr 、串聯(lián)諧振電感Lr 、并聯(lián)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(tài)分析

對于LLC電路，存在兩個諧振頻率：

1.1.1 工作區(qū)域2(fr2

1.1.2 工作區(qū)域2(fr2

1.1.3 工作區(qū)域2(fr2

1.1.4 工作區(qū)域2(fr2

1.1.5 工作區(qū)域2(fr2

1.2 f=fr1 情況下的波形圖

1.3 f>fr1情況下的模態(tài)分析

1.3.1工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)1

1.3.2工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)2

1.3.3工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)3

1.3.4 工作區(qū)域1(f>fr1) 模態(tài)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(tài)，原邊開關管可以實現(xiàn)ZVS，整流二極管工作在臨界電流模式，此時可以實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)生串聯(lián)諧振，而 Lm在整個開關過程中都不參與串聯(lián)諧振，且此時輸出整流二極管工作在電流連續(xù)模式，整流二極管不能實現(xiàn)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(fā)展歷程!

20世紀60年代末，巨型晶體管(GTR)的出現(xiàn)，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(xiàn)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(fā)揮。很快，為了解決因開關頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問題，出現(xiàn)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(shù)，出現(xiàn)了功率因數(shù)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(jīng)全面取代了線性穩(wěn)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(yè)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