详解半桥LLC电路中的波形产生过程

出处:网络整理时间:2026-08-03
  在电源电路设计领域,半桥 LLC 电路是一种常见且重要的电路拓扑结构。半桥由两个功率开关器件组成,以中间点为输出,向外提供方波信号。而 LLC 电路则是一种包含了电容、电阻、电感等元件的电路网络。在半桥 LLC 电路当中,存在着各种各样的波形,这些波形的产生和特性对于电路的性能有着至关重要的影响。那么,这些波形是如何产生的呢?它们又为何存在?接下来,我们将进行详细的分析。
  如果想要对半桥 LLC 所产生波形进行分析,首先就需要从基本的谐振电路开始入手。
    图 1 是半桥 LLC 电路中经常被用作参考的波形图,虽然给出了波形,但却没有给出产生的原因。LLC 之所以可以做到软开关,特别是在 FSW>FR1、FR1=FSW、FR1>FSW>FR2 这三个区域,是针对 MOS 管来说的,实现的是 ZVS(零电压开关),而非 ZCS(零电流开关)。这是因为 MOS 在开关过程中,开通损耗占很大比例;相反,IGBT 关断时由于尾拖电流造成的损耗就要比开通过程的损耗大,所以 IGBT 如果满足 ZCS,损耗就要小得多。
  LLC 谐振腔要呈感性的原因是需要电压超前电流(可以将上管开通时,想象成正弦电压刚好从 0° 开始加在谐振腔里)。一旦呈感性,则谐振腔的电流在上管开通前的流通方向是负的,正是因为这个负电流,才能给上管放电、下管充电,使得上管 MOS 两端的电压为 0。开通前为 0 了,那么开通时便实现了 ZVS。如果呈容性,同理可知上管开通前,谐振腔电流方向为正,下管靠体二极管来续流,上管截止。当开通的时候,下管体二极管由于反向恢复时间的存在,有可能会使母线电压短路,从而炸管。但是可以利用此特性,在上管关断前,谐振腔电流为负,实现 ZCS,使得 IGBT 也可以适用 LLC 此类拓扑。
  当谐振腔电流与励磁电流相等后,没有电流流入 “理想” 变压器初级绕组内,所以初级绕组并未被钳位到 NVO。此时励磁电感就呈现出电感的性质,所以此时谐振频率将改变成 “L+L+C”,所以电流波形是一个斜坡(其实是一段曲线,因为是正弦波的一小段,所以次边电压为一条斜线,二阶的导数是一阶,就是一条线性的斜线)。
  当 fsw>fr1 时,此时励磁电感并不参与谐振。图 1 中电流波形之所以会突然被拉下来,是因为上管关断后,励磁电流与谐振电流仍不相等,所以励磁电感两端电压会被钳位在 nVo,而此时谐振电容上有电压,所以电流会呈现 (Vc - nVo)/Lr 的斜率下降,谐振电流被 “拉” 到与励磁电流相等。
  LLC 的思想是通过 f(频率)实现稳压原理,详细原理如图 2 所示。
  那么 LLC 是如何实现软开关的呢?这里提到一点,即开关频率一定要大于极小谐振频率(即由 Cr 和 Ls、Lp 的谐振频率)。这是因为必须保证这个谐振网络为感性负载(电感的阻抗大于电容的阻抗)。
   接下来解析一下图 3,设左边端点处的为零点(图中未标出),则由 FHA 可知,在半桥中点的电压可以等效为 Vs=(2Vin/pi * sinw1t)。由于负载呈感性,那么电流必将滞后电压,即 Ip = A * sin (w1t - a),A 表示一个常数,a 为滞后的相位。这样,在零电压即 VS = 0 的时候,流过 Mos 管的电流为负值即通过体二极管。这个时候,驱动 MOS 管,则能实现开关零损耗。至于关断呢?从图 3 中可知,上管关断时,MOS 管有正向电流通过,然后由于 MOS 管两端并接了缓冲电容,故使得电压缓慢降低,从而实现了软开关的作用。电容存储的能量,在下一周期会返回到 DC 电源中去。
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