LLC谐振变换器详解（一）| 谐振变换器介绍

LLC变换器起源 

在传统的硬开关电路中，开关损耗较大，且随着工作频率的提高，损耗问题愈发突出，这限制了电源转换效率的提升以及设备的小型化。为了解决这些问题，研究人员开始探索软开关技术，谐振变换器便是软开关技术的一种重要实现形式。LLC谐振变换器作为一种典型的谐振变换器，最初是为了实现更高效的能量转换和更低的开关损耗而被提出。

然而，在其诞生后的很长一段时间里，由于控制复杂、参数设计繁琐等原因，LLC谐振变换器并没有得到广泛应用，而是主要局限于一些对电源性能要求极高的特定领域，如高压电源或高端音频系统。近年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的性能不断提升，以及平板电视等电子设备对高效、小型化电源的需求急剧增加，LLC谐振变换器才开始受到广泛关注，并逐渐成为一种主流的拓扑结构。如今，LLC谐振变换器在各种电子设备、充电桩、服务器电源等领域都得到了广泛的应用。

零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS）

对于谐振变换器，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）是电力电子技术中两种重要的软开关技术。以下是对它们的介绍：

零电压开关（ZVS）：

主要基于电容器充电和放电的特性以及电路中的谐振现象。在开关管开通前，通过谐振电路或其他控制手段，使开关管两端的电压谐振到零，然后在电压为零的时刻施加导通信号，此时开关管以极小的损耗开通。在关断时，由于开关管两端电容的存在，电压也能相对较为平缓地变化，近似于零电压关断（实际也存在一定的关断损耗，但相比硬开关已经大大降低）。ZVS开通时序如图1所示，ZVS开通实际波形如图2所示。

图1 ZVS开通时序

图2 ZVS开通实际波形

从波形可以看到，MOSFET从关断到导通的过程中（期间包括漏源结电容Cds放电，体二极管导通，MOSFET缓慢导通等过程），因为MOSFET漏源电压Vds接近于零，能显著降低开关过程中的电压和电流交叠，因此开关损耗相对较低。所以MOSFET导通损耗近似为零。而在关断时，我们可以看到在转换过程中电流和电压仍然维持在较高水平，所以存在关断损耗。
 

零电流开关（ZCS）：

通过控制电流的方向或大小，在电流过零时实现开关的开通或关断。在开关管关断前，通过控制策略使流过开关管的电流逐渐减小至零，然后在电流为零的时刻施加关断信号，此时开关管以极小的损耗关断。在开通时，也是确保电流为零的时刻进行开通操作，这样可以减少开通时的电流冲击。ZCS开通时序如图3所示，ZCS开通实际波形如图4所示。

图3 ZCS开通时序

图4 ZCS开通实际波形

从波形可看出，在MOSFET关断前，电流已经降为零，所以同样能够降低开关损耗。不过其开关损耗的降低程度可能因具体实现方式而异。

由于软开关的存在，开关过程中电压和电流的变化较小，产生的开关噪声也降低，因此电磁辐射和电磁干扰性能表现较优。这和常规PWM变换器中EMI和效率之间“跷跷板”关系不同，具体来说，谐振电路都可以一定程度的实现软开关过程。如图5所示半桥谐波电路软开关波形。

图5 典型半桥谐波电路软开关波形