彻底弄清楚LLC谐振变换器的直流增益特性

这个图展示了LLC谐振变换器的直流增益特性，直流增益（输出电压与输入电压之比）随开关频率变化的关系。图中将增益曲线分为三个区域（Region 1、Region 2和Region 3），每个区域对应不同的电路工作特性。以下是对每个区域的详细解释及其工作原理，以及LLC谐振变换器设计的基本思路。

1. LLC谐振变换器的工作原理

LLC谐振变换器是一种软开关的DC-DC变换器，通过调节开关频率在不同的谐振频率附近工作，实现对输出电压的调节。其核心是谐振网络，包括谐振电感(L)、谐振电容©、以及漏感(L)组成的LLC结构。

在LLC变换器中，有两个重要频率：

• fsr1：第一级谐振频率，由谐振电感(L)和谐振电容©决定。
• fsr2：第二级谐振频率，由谐振电感(L)、谐振电容©和漏感(Lr)决定。

根据开关频率相对于这些谐振频率的位置，电路可以处于不同的工作模式，即图中显示的三个区域。

2. 各区域分析

区域1 (Region 1) - 感性区域

• 位置：开关频率低于第一级谐振频率(fsr1)。
• 特性：在这个区域，电路呈现感性特性，MOSFET的开关工作在**ZVS（Zero Voltage Switching，零电压开关）**模式。
• 原因：在低于fsr1的频率下，电感主导谐振特性。当开关频率低于fsr1时，电路的电流滞后于电压，产生电感性负载，MOSFET能够在零电压状态下导通，减少开关损耗。
• 应用：通常设计LLC谐振变换器工作在这个区域，以实现高效的ZVS开关，适合高效率和高功率密度的设计需求。

区域2 (Region 2) - 感性区域（谐振区域）

• 位置：开关频率接近或稍高于fsr1但低于fsr2。
• 特性：在这个区域，电路仍然呈现感性特性，并且可以保持ZVS开关模式。随着开关频率逐渐增加，直流增益逐渐降低。
• 原因：在这个频率范围内，谐振网络的阻抗较小，仍然满足ZVS条件。此时，电压和电流之间的相位关系允许MOSFET在电压为零时导通，实现软开关。
• 应用：设计上通常将LLC变换器的负载变化范围保持在这个区域，以确保在不同负载下都能实现ZVS，达到较高效率。

区域3 (Region 3) - 容性区域

• 位置：开关频率高于第二级谐振频率(fsr2)。
• 特性：在这个区域，电路表现为容性特性，MOSFET工作在**ZCS（Zero Current Switching，零电流开关）**模式。
• 原因：在高于fsr2的频率下，电容主导谐振特性，电流超前电压，产生容性负载。此时，开关管能在电流为零时导通，ZCS能有效减少电流关断损耗。
• 限制：ZCS模式的开关损耗相对较大，通常不用于高频和高效率的设计。
• 应用：通常避免在此区域工作，因为此区域的ZCS模式对MOSFET的开关损耗较高，降低了转换器的效率。因此，LLC谐振变换器设计一般避免在此区域进行工作。

3. ZVS与ZCS的选择

• ZVS (Zero Voltage Switching)：在开关电压为零时导通，适用于感性负载。ZVS能够有效减少开关损耗，尤其适合MOSFET开关，因为MOSFET的开关损耗在ZVS下较低。
• ZCS (Zero Current Switching)：在开关电流为零时导通，适用于容性负载。虽然ZCS也能减少部分开关损耗，但MOSFET更适合ZVS模式，因此在高频LLC谐振变换器中更常选择ZVS模式。

4. 总体设计方案思路

LLC谐振变换器的设计一般会选择在Region 1和Region 2工作，以利用电路的感性特性实现ZVS模式，最大程度地降低开关损耗并提升效率。而Region 3的ZCS模式通常会带来较大的开关损耗，因此尽量避免工作在这个区域。

具体来说，设计时可以通过调整谐振网络的参数来确定两个谐振频率（fsr1和fsr2），并根据预期的工作频率范围和负载变化范围确保电路始终处于Region 1或Region 2，以便实现高效率的ZVS开关模式。

5. 频率与增益的关系

图中显示了开关频率与增益的关系：

当频率低于fsr1时，增益较高，可在低输入电压或重负载时维持输出电压。

• 当频率接近fsr1时，增益下降，适合在额定负载下工作。
• 当频率高于fsr2时，增益进一步下降，适合在轻负载或高输入电压下保持稳定的输出。

总结来说，LLC谐振变换器通过调整开关频率在不同的谐振区域工作，合理设计后可在负载变化范围内始终实现ZVS工作，以降低损耗和提升效率。