LC谐振零开关基本特性
LLC原理讲解
LLC原理讲解与传统PWM（脉宽调节）变换器不同，LLC是一种通过控制开关频率（频率调节）来实现输出电压恒定的谐振电路。
它的优点是：实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。
学习并理解LLC，我们必须首先弄清楚以下两个基本问题：1.什么是软开关；2.LLC电路是如何实现软开关的。
由于普通的拓扑电路的开关管是硬开关的，在导通和关断时MOS管的Vds电压和电流会产生交叠，电压与电流交叠的区域即MOS管的导通损耗和关断损耗。
如图所示：为了降低开关管的开关损耗，提高电源的效率，有零电压开关(ZVS) 和零电流开关（ZCS)两种软开关办法。
1零电压开关 (ZVS)开关管的电压在导通前降到零，在关断时保持为零。
2零电流开关（ZCS)使开关管的电流在导通时保持在零，在关断前使电流降到零。
由于开关损耗与流过开关管的电流和开关管上的电压的成绩（V*I）有关，当采用零电压ZVS导通时，开关管上的电压几乎为零，所以导通损耗非常低。
►Vin为直流母线电压，S1，S2为主开关MOS管（其中Sc1和Sc2分别为MOS管S1和S2的结电容，并联在Vds上的二极管分别为MOS管S1和S2的体二极管），一起受控产生方波电压；►谐振电容Cr 、谐振电杆Lr 、 励磁电杆Lm一起构成谐振网络；►np，ns为理想变压器原副边线圈；►二极管D1, 二极管D2，输出电容Co一起构成输出整流滤波网络。
那么LLC电路是怎么实现软开关的呢？要实现零电压开关，开关管的电流必须滞后于电压，使谐振槽路工作在感性状态。
LLC 开关管在导通前，电流先从开关MOS管的体二极管（S到D）内流过，开关MOS 管DS之间电压被箝位在接近0V（二极管压降），此时让开关MOS管导通，可以实现零电压导通；在关断前，由于DS 间的电容电压为0V而且不能突变，因此也近似于零电压关断（实际也为硬关断）。
数电与模电 (17)
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
T1零电压开通条件：
I o Z r VD
I o min VD Z r VD Lr Cr
(8-11)
最小负载电流需满足：
VT1、vcr最高电压： 开通期尽量缩短取：
VD I o Z r 2VD
Tr 2 Lr Cr (0.1 ~ 0.05)Ts
开关状态3：t2<t<t3
t=t2时，关断T2， Lr 、 Cr谐振半 个周期到t3， t=t3时 Vcr＝VT1＝VD， iL达到负最大值。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
开关状态4：t3<t<t8
如IoZr<VD, 则VT1不可能为零。 如IoZr>VD, 则当VT1＝0时, iT1仍为负值。此后 负值iL经D1向VD回送电流，直到t=t6。在t4~t6期 间，VT1＝0。若在t5驱动T1，则为零电压开通。
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCSPWM)变换器工作原理
D1 Lr Lf T2 D2 Vo
主电路组成 5种开关状态
T1 Vg1 VD
iL
I f=I o
Do Cf
Vg2
+
R
+
Vcr
ic
Cr
开关状态1：电感充磁
-
开关状态2：谐振阶段Ⅰ
开关状态3：VD向负载供电
图 8.6 (a) ZCS PWM Buck DC/DC 变换器
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器工作原理 8.3.2 零电压开通脉冲频率调制（ZVS PFM）变换器工作原理
LC串联谐振变换器与LLC谐振变换器的 分析与比较
LC串联谐振变换器与LLC谐振变换器的分析与比较摘要：谐振型变换器作为一种软开关变换技术，具有体积小、开关频率高、开关损耗小、效率高等优点。
本文主要对LC串联谐振变换器与LLC谐振变换器的原理和结构等展开了分析和比较，希望为突破硬开关的瓶颈，减小开关损耗即实现开关管的软开关有一定的借鉴意义。
关键词：谐振变换器；开关变换；分析比较高效率、高频化和高功率密度是开关电源发展的必然趋势，然而传统硬开关电路的开关损耗正比于开关频率，开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。
为突破硬开关的瓶颈，减小开关损耗即实现开关管的软开关，由此软开关技术应运而生。
谐振型变换器作为软开关的一种，应用谐振原理，使开关电源中开关器件的电压或电流按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断，电压为零时，使器件开通，从而使器件在关断和开通的过程中损耗接近为零。
本文就LC串联谐振变换器以及LLC谐振变换器进行原理分析和比较。
1 结构分析与比较全桥式LC串联谐振变换器其结构相对简单，MOSFET管Q1、Q2和Q3、Q4分别构成逆变电路的上下两桥臂，Q1，Q3管驱动信号相同，Q2，Q4管驱动信号相同，谐振元件Lr、Cr串联构成谐振网络，谐振网络经过变压器，再经过全波整流电路后与负载RL串联，可知，谐振网络与负载形成了一个分压式结构，变压器既起到电压变换的作用，又起到隔离作用。
图1为LLC全桥谐振变换器。
与LC串联谐振变换器结构基本相同，不同的是谐振电路中增加了一个励磁电感Lm，与谐振电感Lr不同在于Lm是一个由变压器励磁产生的有限的值。
图1 全桥式LLC谐振变换器在全桥逆变电路中，MOS管Q1和Q3、Q2和Q4同时导通和截止，为180°互补导通。
为避免上下桥臂形成直通导致短路，Q1和Q3、Q2和Q4两组驱动信号应设置一定的死区时间。
由于一次侧谐振电感较大可以起到滤波作用，所以二次侧不用滤波电感只用一个较大的滤波电容即可，输出的电压可以得到比较平滑的直流电压。
LC振荡电路的工作原理及特点
简单介绍LC振荡电路的工作原理及特点LC振荡电路，顾名思义就是用电感L和电容C组成的一个选频网络的振荡电路，这个振荡电路用来产生一种高频正弦波信号。
常见的LC振荡电路有好多种，比如变压器反馈式、电感三点式及电容三点式，它们的选频网络一般都采用LC并联谐振回路。
这种振荡电路的辐射功率跟振荡频率的四次方成正比，如果要想让这种电路向外辐射足够大的电磁波的话，就必须提高其振荡频率，而且还必须是电路具备开放的形式。
LC振荡电路之所以有振荡，是因为该电路通过运用电容跟电感的储能特性，使得电磁这两种能量在交替转化，简而言之，由于电能和磁能都有最大和最小值，所以才有了振荡。
当然，这只是一个理想情况，现实中，所有的电子元件都有一些损耗，能量在电容和电感之间转化是会被损耗或者泄露到外部，导致能量不断减小。
所以LC 振荡电路必须要有放大元件，这个放大元件可以是三极管，也可以是集成运放或者其他的东西。
有了这个放大元件，这个不断被消耗的振荡信号就会被反馈放大，从而我们会得到一个幅值跟频率都比较稳定的信号。
开机瞬间产生的电扰动经三极管V组成的放大器放大，然后由LC选频回路从众多的频率中选出谐振频率F0。
并通过线圈L1和L2之间的互感耦合把信号反馈至三极管基极。
设基极的瞬间电压极性为正。
经倒相集电压瞬时极性为负，按变压器同名端的符号可以看出，L2的上端电压极性为负，反馈回基极的电压极性为正，满足相位平衡条件，偏离F0的其它频率的信号因为附加相移而不满足相位平衡条件，只要三极管电流放大系数B和L1与L2的匝数比合适，满足振幅条件，就能产生频率F0的振荡信号。
LC振荡电路物理模型的满足条件①整个电路的电阻R=0(包括线圈、导线)，从能量角度看没有其它形式的能向内能转化，即热损耗为零。
②电感线圈L集中了全部电路的电感，电容器C集中了全部电路的电容，无潜布电容存在。
③LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波，是严格意义上的闭合电路，LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化，即便是电容器内产生的变化电场，线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场，向周围空间辐射电磁波。
LC振荡电路的工作原理及特点
简单介绍LC振荡电路的工作原理及特点LC振荡电路，顾名思义就是用电感L和电容C组成的一个选频网络的振荡电路，这个振荡电路用来产生一种高频正弦波信号。
常见的LC振荡电路有好多种，比如变压器反馈式、电感三点式及电容三点式，它们的选频网络一般都采用LC并联谐振回路。
这种振荡电路的辐射功率跟振荡频率的四次方成正比，如果要想让这种电路向外辐射足够大的电磁波的话，就必须提高其振荡频率，而且还必须是电路具备开放的形式。
LC振荡电路之所以有振荡，是因为该电路通过运用电容跟电感的储能特性，使得电磁这两种能量在交替转化，简而言之，由于电能和磁能都有最大和最小值，所以才有了振荡。
当然，这只是一个理想情况，现实中，所有的电子元件都有一些损耗，能量在电容和电感之间转化是会被损耗或者泄露到外部，导致能量不断减小。
所以LC 振荡电路必须要有放大元件，这个放大元件可以是三极管，也可以是集成运放或者其他的东西。
有了这个放大元件，这个不断被消耗的振荡信号就会被反馈放大，从而我们会得到一个幅值跟频率都比较稳定的信号。
开机瞬间产生的电扰动经三极管V组成的放大器放大，然后由LC选频回路从众多的频率中选出谐振频率F0。
并通过线圈L1和L2之间的互感耦合把信号反馈至三极管基极。
设基极的瞬间电压极性为正。
经倒相集电压瞬时极性为负，按变压器同名端的符号可以看出，L2的上端电压极性为负，反馈回基极的电压极性为正，满足相位平衡条件，偏离F0的其它频率的信号因为附加相移而不满足相位平衡条件，只要三极管电流放大系数B和L1与L2的匝数比合适，满足振幅条件，就能产生频率F0的振荡信号。
LC振荡电路物理模型的满足条件①整个电路的电阻R=0(包括线圈、导线)，从能量角度看没有其它形式的能向内能转化，即热损耗为零。
②电感线圈L集中了全部电路的电感，电容器C集中了全部电路的电容，无潜布电容存在。
③LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波，是严格意义上的闭合电路，LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化，即便是电容器内产生的变化电场，线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场，向周围空间辐射电磁波。
RLC串联谐振特性
Q1: RLC串联电路作用
在无线电接收设备中用来选择接收信号 电路对非谐振频率的信号衰减作用大，广播电台以不同频率的电
磁波向空间发射自己的讯号，调节收音机中谐振电路的可变电容， 可将不同频率的各个电台分别接收。
在电子技术中用来获取高频高压 对于一般实用的串联谐振电路，R很小且常用L的电阻（即电感线圈
并联时，负载电压只有一个，电流回路有两个，电压与电源相同， 电容电流与电感电流的差值等于电源电流。因此这是电流谐振。
Q3:
在串联谐振发生时，电容或电感上的电压约等于外加电压的Q倍。但 是当你将负载并联到电容或电感上时，电路的Q值将大大下降，这时 在电路中计算时就不能用原来的空载Q值，而要用“有载Q值”，有 载Q可能小于1！ 在串联谐振电路中，电感和电容的电压数值相等，方向相反。 理论上是无穷大,不过实际中由于二极管的压降,共频和负载等原因会 使其电压大大缩减, 变压器的基本原理是电磁感应原理,在初级线圈上加一交流电压，在 次级线圈两端就会产生感应电动势。当N2>N1 时，其感应电动势要 比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2<N1 时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器。初级次 级电压和线圈圈数间具有下列关系。 式中n 称为电压比(圈数比) 。 当n<1 时，则N1>N2 ，V1>V2 ，该变压器为降压变压器。反之则 为升压变压器
(5) 功率
+
P=RI02=U2/R，电阻功率达最大。
•
Q QL QC 0,
U
即QLL与Cω交0换LI能02量, ，Q与C 电源间ω无10C能量I02交换。
_
•
IR
+
_
•
+
wpe8
T1零电流关断条件：
VD Zr I o
控制T2的开通时刻t3即可 改变通态时间2，实现 PWM控制Vo。缺点：
iL max iT1max VD Zr I o 2I o
8.4.2 零电流关断脉冲频率调制(ZCSPFM)变换器工作原理
主电路组成
工作原理
控制T1的开通，形成LrCr谐振使 iL过零反向，在此期间撤除T1的 驱动信号使其零电流关断。 无辅助开关T2，与图8.6(a)相 比则无开关状态3。
零开关技术可消除开通关断损耗，是电力电子变换器 高频化最理想的技术。
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零开关基本特性
LC谐振实现开关器件零电压开通和零电流关断
t1时引发Lr、Cr谐振，t2时vT 谐振至零，在t3时驱动
T实现零电压开通。 t6时引发Lr、Cr谐振， t7时iT谐振至零，在t8时切除 驱动信号实现零电流关断。
开关状态5：t8<t<t10
t＝t9时，开通T2，此时iL=I0不变T1已是通态， vL＝vT2＝0，T2是零电压开通。 t=t10时，关断T1（相当于t0时软关断T1）完 成一个开关周期Ts。
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制(ZVSPWM)变换器工作原理
在fs＝1/Ts固定时，控制T2的 关断时刻t2，即可改变Toff， 从而改变占空比，调控输出 电压。 零电压开通脉冲宽度调制 （ZVS PWM）变换器，可 实现主开关T1和辅助开关T2 零电压开通和软关断。
(8-13)
由（8-11）和（8-13） L (0.1 ~ 0.05)T V 2I r s D o min 可确定Lr、Cr： Cr (0.1 ~ 0.05)Ts I o min 2VD
lc串联谐振原理
lc串联谐振原理
lc串联谐振原理是一种电子学原理，它涉及到一种用于电子信号处理
的线路构造。
它比较常见的应用是在电路中用来进行滤波频率的控制。
下面，我们来详细介绍lc串联谐振原理。
1. 什么是lc串联谐振原理
lc串联谐振原理是最基本而重要的一种电子学原理。
它涉及电路中连
接一个电感（L）和一个电容（C）的构造，当两者共同参与电路传输时，就会形成一种谐振状态。
2. lc串联谐振系统的特点
由L和C构成的lc串联谐振系统具有几个显著的特点，其中最重要的是：当L和C的共同参与电路传输时，就会形成一种谐振状态，L和C
的存在使得电路的频率获得了特定的控制，从而使得滤波器也就获得
了特定的控制功能。
此外，lc串联谐振系统还具有高灵敏性，调节灵
活性强，能够保持较高的输入输出线性度等优良特性。
3. lc串联谐振原理的应用
Lc串联谐振原理在电子信号处理中，最常见的应用就是滤波器，在滤
波器中，由lc串联谐振系统构成的滤波器能够过滤掉电路中的干扰信号，有效的提高了电子信号的精度。
此外，lc串联谐振原理还可以用
于其他电子电路的应用，比如变频器、放大器等，都可以利用它的特
性及功能来构造相关的电路结构。
综上所述，lc串联谐振原理是一种电子学原理，它涉及到一种用于电
子信号处理的线路构造，具有高灵敏性，调节灵活性强，能够保持较
高的输入输出线性度等优良特性，它比较常见的应用是在电路中用来
进行滤波频率的控制，还可以用于其他电子电路的应用，比如变频器、放大器等。
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开通：加入+VG后开关管从断态（rT＝∞）
→ 通态（rT ＝0）的过程
图8.3 硬开关、缓冲软开关、 零电压开关轨迹
关断：无VG后开关管从rT＝0的通态 → rT＝∞的断态的过程。 1
3.3 LC谐振零开关基本特性(续1)
iT
+ VT T
A
Lf If = Io
Io
Cf
Vo
主电路开关管处于 断态时，引发Lr，
ZVS-PFM
iL
I f =I o
Do Cf
Vg2
+
+
ic
R
-
Cr
ZCS-PWM
ZCS-PFM
6
3.5.1零电压开通准谐振变换器ZVS QRCs
D1
iT
+ - T1
Vd
Lr
A
Lf If=Io
Vg
0
Cf R
i
L
D
i
c
Cr
iT iD
( a )电路
iD iT
0
( b )驱动波形
Vg Ts
t
iT i D1
t=t0：关断T1，iT1下降，vT1=vcr从零上升， Cr使T1软关断
t＝t1：iT下降到零，ic使Cr充电，vcr＝ vT1上升到VD，iL经D2、T2续流，I0经D0续流， T1关断过程结束，电路进入断态，vo =0 9
3.5.2 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器（2）
开关状态2：t1<t<t2
T1断态，vcr＝vT1＝VD，
iL经D2、T2续流。Io经D0续流。 在Toff期间输出电压断态，v0=0
1 2 Lr C r
ZVS的特性
Vg
0
iT iD
0
iD iT iD1 iL
0
( b )驱动波形
Vg Ts
t
iT
Io
t
Lr、Cr的取值： fr
( c )iT、iD波形
1 Lr 2f r I 0 min
Cr 1 I 0 min 2f r Vd
Vd
iL
iL
t3
t4
ic
IoZr
Io ( d )iL波形
SPWM改善输出波形)，减小LC滤波器及变压器的重量
和体积。但使硬开关变换器的开关损耗成比例的提高。
引入LC缓冲器后软开关能降低开关器件的功耗，但L、 C、R的功耗使整个变换器的效率不一定能提高。 而零开关技术可消除开通关断损耗。是电力电子变换
器高频化最理想的技术。
4
3.4 谐振零开关类型
一、零开关（ZERO-SWITCHING）谐振变换器 谐振电感Lr串接在主电路中 1. 零电压开通ZVS PFM(QRC)：必须IoZr>VD,VT>2VD 2. 零电压开通 ZVS PWM ：必须IoZr>VD,VT>2VD
Io
t
1. 0≤t≤t1 谐振电容充电到Vd 2. t1 ≤t≤t2 开始谐振过程 iL I 0 cos r (t t1 ) vcr vT Vd I 0 Z r sin r (t t1 )
( c )iT、iD波形
iL
0
iL
iL
t3 t4
ic
IoZr
Io ( d )iL波形
t=t7使iT＝0后，在t8时撤除+VG，
rT从0→∞的关断过程中iT＝0，Poff ＝0，t≥t9建立vT时，rT已为∞，iT
图8.3 硬开关、缓冲软开关、 零电压开关轨迹
＝0，Poff=0，实现零电流关断。
3
3.3 LC谐振零开关基本特性(续3)
提高变换器 的开关频率fs可改善变换器的特性(如
iT vT iT t 6 t 7 t8 t 9 t10
t
0→∞期间，iT＝0， 零电流关断。
2
3.3 LC谐振零开关基本特性(续2)
开通 过程 关断 过程 断 态
断 态
通态
在断态期t＝t1时引发Lr、Cr谐振， t=t2使vT＝0后，在t3时加＋VG，
rT vT
rT
vT VD
vT t 2t3 t 4 t5
3. 零电流关断ZCS PFM(QRC)：必须VD/Zr>Io,IT>2Io 4. 零电流关断 ZCS PWM ：必须VD/Zr>Io,IT>2Io
二、零转换(Zero-Transition)谐振变换器：变换器主电 路输入电流不经过谐振电感Lr ，Lr在电路中不参与对 负载通态供电。 1. 零电流转换：ZCT
LC谐振零开关基本特性
iT
+ VT T
A
Lf
If = Io
D
Io
Cf
Vo
断 态
开通 过程
通态
关断 过程
断 态
rT
rT
VD
vT
B
vT
VD
vT
iT
IO
vT
图2.6 零电压开通、零电流关断时
t1
t 2t3
t 4 t5
iT vT iT t 6 t 7 t8 t 9 t10
t
在主电路中加入Lr，Cr引发谐振， 可使开关管处于零电压、零电流状态
t
vT=vc
0
工作方式：PFM 降低开关频率（即增大TS）将使 输出电压、输出功率增大，
Vd
t1 t2
t3
t4
t5
t
( e )vc波形
图8.8 零电压开通准谐振BUCK DC/DC 变换器工作原理
8
3.5.2 零电压开通脉冲宽度调制（ZVS PWM）变换器(1)
开关状态1：t0<t<t1 t<to：T1、T2都通态，iT1=iL=Io, iT2=0， D0截止
iT
IO
vT iT vT iT t 6 t 7 t8 t 9 t10
rT从∞→0，在vT从∞→0的开通过
程中，因vT＝0，Pon＝0，t≥t4建
t 立i 时，r 已为0，Pon＝0，实现零 T T
图2.6 零电压开通、零电流关断时 vT、iT、rT
t1
电压开通。
在通态期t＝t6时引发Lr、Cr谐振，
t
3. t2≤t≤t3 iL反向， vT=vc 谐振过程继续 0 4. t3≤t≤t4 vcr等于零,ZVS 5. t4≤t≤t5 电源对负载供电
Vd
t1 t2 t3 t4 t5
t
( e )vc波形
零电压开通准谐振BUCK DC/DC
7
Vd 零开关条件： I 0 Zr （电压应力大）
Zr Lr Cr
VD
D
Cr谐振使vT＝0，再
B
加VG开通开关管， rT从∞→0期间，vT ＝0，零电压开通。
断 态
开通 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程
通态
关断 过程
断 态
rT
rT
主电路处于通态时 引发Lr，Cr谐振使iT
vT
vT
VD
vT
iT
IO
vT
＝0，再撤除VG关
断开关管， rT从
图2.6 零电压开通、零电流关断时
t1
t 2t3
t 4 t5
2. 零电压转换：ZVT
5
3.5 ZVS和ZCS电路
Cr
+
Vg2 T2
-
D2 Lf
Io
Cr
+
D1
D1
-
+ Lr T1 Vg1 VD
Vo
T1
+ Lr iL
Vg1 VL D
Lf
Io
Vo Cf
iL
VL D
Cf VD R
VD
VD
R
ZVS-PWM
D1 T1 Vg1 VD Lr Lf T2 Vcr D2 Vo