LLC谐振变换器详解（二）| 谐振拓扑比较

时间： 2024-11-15 来源：瑶芯微电子公众号

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变换器谐振变换器,串联谐振（SRC）变换器,半桥串联谐振变换器,并联谐振（PRC）变换器

谐振变换器概述

谐振变换器是以谐振电路为基本变换单元，利用电路发生谐振时，电流或电压周期性地过零点，使得开关器件在零电压或者零电流条件下开通或者关断，从而实现软开关，达到降低开关损耗的目的。在目前的谐振电路中，串联谐振（SRC）、并联谐振（PRC）和串并联谐振（SPRC）已经被业界所熟知，它们因能实现零电压开通而被广泛应用于电力电子线路中。但是，它们都不适合于当前更高效率、更高功率密度、更高开关频率的追求。

谐振电路原理

通常谐振电路是一种由电阻（R）、电感（L）和电容（C）组成的RLC电路结构。它具有串联和并联两种基本连接方式，各自特点如下：

RLC串联谐振电路:

RLC串联谐振基本电路如图1所示，当电路中的感抗与容抗有效值相等时，即 ωL =1/ ωC（其中 ω是角频率），电路发生串联谐振。此时的谐振频率fo=1/LC，该频率只与电路中的电感和电容值有关，与信号源无关。此时时电路的阻抗为最小值R，此时电路总电压主要加在电阻上，电流达到最大值，电路呈现纯电阻性，电流与电压同相位。

图1 RLC串联谐振基本电路

RLC并联谐振电路：

RLC并联谐振基本电路如图2所示，与串联谐振类似，满足ωL =1/ωC时发生谐振，其中ω为谐振角频率，发生谐振时电路的导纳最小，等效阻抗最大，在激励电流一定时，电压的有效值最大。

图2 RLC并联谐振基本电路

串联谐振（SRC）变换器

半桥串联谐振变换器的原理图如图3所示，谐振电感Lr和谐振电容Cr串联，它们形成一个串联谐振腔，谐振腔与负载串联。这种结构，谐振腔和负载充当分压器。通过改变输入电压Va的频率，进而改变谐振腔的阻抗，该阻抗将把输入电压与负载分开。由于它是一个分压器，SRC的直流增益总是低于或等于1，因此在轻载时（Rload大），为了确保输出电压稳定，开关频率往往需要上升到很高，不利于系统稳定。如该变换器空载运行，输出电压将不可控。

图3 SRC变换器电路图

从图4可以看出，不同的Q值曲线簇都发生在谐振频率处，并且增益为1。开关频率低于谐振频率时，谐振网络的阻抗呈容性，此时MOSFET能够实现ZCS；开关频率高于谐振频率时，谐振网络的阻抗呈感性，此时MOSFET能够实现ZVS；对于MOSFET而言，要实现ZVS，变换器必须工作在高于谐振频率的情况下。另外从工作区域（operation Region）可以看出，随着输入电压的增加，变换器在远离谐振频率往更高频率下工作。随着频率的增加，谐振腔的阻抗增加。由于谐振腔是不参与功率转换的，其阻抗很高的话，则谐振腔里的能量更高，这部分能量纯粹在做环流交换（返回到输入端，无功），而且增加了MOSFET的电流应力。