LLC谐振变换器详解（二）| 谐振拓扑比较
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
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。
图4 SRC的Q、增益与归一化频率的关系
通过以上分析，SRC并不是高效DC-DC的理想选择。其主要问题是：轻载时的输出调节、高循环能量和高输入电压条件下的关断电流等问题。
半桥并联谐振变换器的电路如图5所示。对于并联谐振变换器，负载与谐振电容并联。
图5 并联谐振变换器
与SRC类似，该变换器工作频率同样要高于谐振频率才能实现ZVS。从图6可看出，其工作区间很小，在轻载时（Q小），其频率变化范围并不大。但由于等效输入阻抗较小，一个大问题是循环能量非常高，导致MOSFET导通损耗较大。
图6 PRC的Q、增益与归一化频率的关系
通过以上分析， PRC也不是理想选择。主要问题是：大的循环能量，高输入电压下的高关断电流。
串并联变换器（SPRC）：
串并联谐振变换器的原理图如图7所示。SPRC的谐振腔可视为SRC和PRC的组合。对于SPRC它结合了PRC和SRC的优良特性，通过并联电容Cpr，SPRC可以在空载条件下调节输出电压。将负载与谐振腔串联，可以减少环流。
图7串并联谐振变换器
从图8可以看到，SPRC有两个谐振频率，但是同样的工作频率需要大于谐振频率才能实现ZVS。但是这两个谐振频率之间是ZCS工作区间，这导致该变换器工作范围更窄。与SRC和PRC相同，变换器在300V的谐振频率附近工作。在高输入电压下，变换器工作在远离谐振频率的更高频率。
图8 SPRC的Q、增益与归一化频率的关系
通过以上分析，虽然 SPRC循环能量较小，对负载变化不太敏感。但是，对于宽输入范围设计，SPRC仍然会带来的较大损耗。
通过对SRC、PRC和SPRC三种变换器的分析，得出结论：这三种变换器均不能解决高压输入时环流以及频率增大问题。从而导致高导通损耗和开关损耗。高效率和高频化是设计谐振变换器永恒的追求目标，所以有必要在此基础上找出其他衍生拓扑。
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