1、LLC 電路拓撲

LLC 電路是由 2 個電感和 1 個電容構成的諧振電路，故稱之為 LLC。其拓撲結構根據 MOS 管的配列可以分為半橋或全橋類型。2 個電感分別為變壓器一次側漏感 (Lr) 和勵磁電感(Lm)，電容為變壓器一次側諧振電容(Cr)。LLC 電路通過諧振能夠實現 MOS 管的軟開 (soft switching)，減少開關損耗。另外 MOS 管的通態損耗也很低，換言之產生的焦耳熱也少，這樣就可以不額外使用散熱片進行散熱。因為這些優點，LLC 電路被廣泛使用在 DC/DC Converter 中。

為了方便后面的說明，我們先來簡化一下電路。我們從 Lm 兩端看去，把變壓器、二次側全橋整流、濾波電容及負載看成一個整體，統稱為負載 Ro，那么上面的電路可以簡化為下面這種形態。

假設 MOSFET 的開關頻率為，Lr 和 Cr 的諧振頻率為，Lr 和 Lm 和 Cr 三者的諧振頻率為，則有：

根據、、三者的關系，LLC 的工作狀態會有 3 種。

①時，LLC 工作在 Lr 和 Cr 諧振狀態，此時稱為 LC 諧振，一次側 MOSFET 雖然能實現軟開，但二次側二極管工作在連續導通模式 (Continuous Conduction Mode, CCM)，無法實現軟開；

②時，LLC 工作在 Lr、Lm、Cr 諧振狀態，此時稱為 LLC 諧振，一次側二次側均能實現軟開；

③時，一次側 MOSFET 工作在容性領域（即電路的容抗 > 感抗，電壓滯后電流），此時 MOSFET 為 ZCS，相較于 ZVS 開通損失很大。

注：LLC 的 ZVS 軟開僅針對 MOS 管的導通，MOS 管關斷時均為硬開，不過由于寄生電容的存在，此時硬開損失較小。

本文主要介紹狀態②下的 LLC 工作原理。在這之前先簡單介紹一下什么是軟開。

2、軟開 (soft switching)

MOSFET 在進行開關的時候，其開關損失，這時叫做硬開 (hard switching)。為了減少這種損失，我們會在開關 MOSFET 時，盡量保證或任意一方為 0，這樣就為 0。電壓為 0V 時的軟開叫做ZVS(Zero-voltage switching)，而電流為 0A 時的軟開叫做ZCS(Zero-current switching)。硬開和軟開時的損失比較如下圖所示 http://www.kobe-kosen.ac.jp/~michi/akamatsu/1/ ![[Pasted image 20241218000145.png]] 左側：硬開關損失 右側：軟開關損失

然而，軟開并不是就完全沒有損失。對于理想軟開，如下面左圖所示，電壓和電流能夠瞬變，此時兩者沒有重疊部分，損失為 0。然而實際情況如下面右圖所示，電壓和電流不可能完成瞬變，兩者會出現重疊部分，也就必然會存在一定的損失。

我們將 MOSFET 由 OFF→ON 所需時間記為，ON→OFF 所需時間記為，把電壓和電流的變化看作線性變化，則 MOSFET 導通時的損失為：

同理可得 MOSFET 關斷時的損失為：

因此，一個周期內 MOSFET 的開關損失為：

3、LLC 電路工作原理

接下來開始說明一個周期內 LLC 的工作原理以及 LLC 是如何實現軟開的。我們將四個 MOSFET 分別叫做 Q1~Q4，它們各自的寄生二極管以及寄生電容分別叫做 D1~D4、C1~C4。紅實線為負載電流（進行電力變換的電流），藍虛線為勵磁電流（用來生成磁場的電流）。

Mode ① Q1/Q4 導通，Q2/Q3 關斷

Q1/Q4 導通、Q2/Q3 關斷時，負載電流的路徑為電源→Q1→Lr→Ro→Cr→Q4→電源，勵磁電流的路徑為電源→Q1→Lr→Lm→Cr→Q4→電源，此時 Cr 充電。當 Lr 和 Cr 的諧振結束后，進入 Mode ②。

注意：為方便說明，此處的 Mode ①其實并不是指完整的 Mode ①，因為省略了勵磁電流的負半周期。完整的 Mode ①詳細請參考 Mode ⑤，這倆是一回事，只是方向相反而已。

Mode ② Q1/Q4 導通，Q2/Q3 關斷，諧振結束

Lr 和 Cr 的諧振結束后，負載電流降為 0，此時電路里僅有勵磁電流。當 Q1/Q4 關斷時，進入 Mode ③。需要注意，此時會有關斷損失產生，但由于 Vds1 和 Vds4 是緩慢上升（因為此時 C1 和 C4 開始充電，詳細參考 Mode ③），關斷損失較小。

Mode ③ Q1/Q4 關斷，Q2/Q3 關斷，死區時間

為了防止 Q1/Q3 和 Q2/Q4 同時導通（此時 LLC 相當于短路，大電流會燒壞 MOSFET），在切換 Leg 的時候會特意設置一個延遲時間，這就是死區時間 (Dead time)，此時 4 個 MOSFET 均關斷。在這期間，C1 和 C4 開始充電，Vds1 和 Vds4 升高；C2 和 C3 開始放電，Vds2 和 Vds3 下降。當 4 個電容的充放電完成后，進入 Mode ④。

Mode ④ Q1/Q4 關斷，Q2/Q3 關斷，死區時間，電容充放電完成

當 C1~C4 的充放電完成后，Vds1 和 Vds4 升至電源電壓，而 Vds2 和 Vds3 降至 0V。同時，因為勵磁電感的存在，勵磁電流并不會馬上降為 0。此時電路里僅有勵磁電流，其路徑為Lm→Cr→D2→電源→D3→Lr→Lm。當 Q2/Q3 導通時，進入 Mode ⑤。因為 Q2/Q3 導通時 Vds2/Vds3 均為 0V，所以這是ZVS，MOS 管實現軟開。

Mode ⑤ Q1/Q4 關斷，Q2/Q3 導通

Q1/Q4 關斷、Q2/Q3 導通時，LLC 進入后半周期（后半周期和前半周期一模一樣，只是方向相反而已），其負載電流的路徑為電源→Q2→Cr→Ro→Lr→Q3→電源。勵磁電流先維持一段時間 Mode ④的路徑 Lm→Cr→D2→電源→D3→Lr→Lm，待降為 0A 后反向，變成電源→Q2→Cr→Lm→Lr→Q3→電源（此過程可以參考波形圖）。諧振電容 Cr 的電位會與前半周期相反，Cr 開始放電。當 Lr 和 Cr 的諧振結束后，進入 Mode ⑥。

Mode ⑥ Q1/Q4 關斷，Q2/Q3 導通，諧振結束

Lr 和 Cr 的諧振結束后，負載電流降為 0，此時電路里僅有勵磁電流。當 Q2/Q3 關斷時，進入 Mode ⑦。跟 Q1/Q4 關斷時一樣，此時也會有關斷損失產生，但由于 Vds2 和 Vds3 是緩慢上升（因為此時 C2 和 C3 開始充電，詳細參考 Mode ⑦），關斷損失較小。

Mode ⑦ Q1/Q4 關斷，Q2/Q3 關斷，死區時間

Q2/Q3 關斷后再次進入死區時間，此時 C2 和 C3 開始充電，Vds2 和 Vds3 升高；C1 和 C4 開始放電，Vds1 和 Vds4 下降。當 4 個電容的充放電完成后，進入 Mode ⑧。

Mode ⑧ Q1/Q4 關斷，Q2/Q3 關斷，死區時間，電容充放電完成

當 C1~C4 的充放電完成后，Vds2 和 Vds3 升至電源電壓，而 Vds1 和 Vds4 降至 0V。同時，因為勵磁電感的存在，勵磁電流并不會馬上降為 0。此時電路里僅有勵磁電流，其路徑為Lm→Lr→D1→電源→D4→Cr→Lm。當 Q1/Q4 導通時，進入 Mode ①。因為 Q1/Q4 導通時 Vds1/Vds4 均為 0V，所以這是ZVS，MOS 管實現軟開。

至此，LLC 一個動作周期完成。