LLC谐振变换器拓扑结构综述

许 杰，马小三

(安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243000)

随着功率半导体器件的发展，高频化显然已经成为一种发展趋势．为了减少由高频化引起的开关损耗，人们已经开始关注软开关技术，包括谐振软开关技术[1-2]．

如今谐振变换器的广泛使用就是谐振软开关技术应用最直接的体现，其因高效率得以在能源领域大展身手[3]．较常见的谐振转换器包括三种形式：串联，并联和LLC．与前两种变换器相比，LLC谐振变换器的电路形式类似于串联谐振变换器．但区别在于，其还完成了谐振电感与变压器的磁集成．

近些年来LLC谐振电路得到广泛的重视和飞速的发展．提出了一系列电路拓扑，各个拓扑间既有联系又有区别，因此分类方法也多种多样．本文对近年的研究成果进行分类梳理，拓扑结构主要分为全桥LLC、半桥LLC、三电平LLC、交错并联LLC、双向LLC这五个方面，为开关电源的主电路拓扑设计选型提供参考．

1 LLC谐振变换器发展概述

LLC谐振电路这一概念由Rudy Severns于1990年提出，利用穷举法给出了18种三元件的组合[4]．1994年Ashoka Bhat阐述了LLC谐振电路在降压区的工作原理[5]．1997年Liberatore.A团队叙述了LLC谐振电路在升压区工作的原理[6]．1998年MichaelJ.Ryan团队提出改进型LLC谐振拓扑，谐振元件被置于二极管桥的两侧[7]．2001年J.F.Lazar团队把LLC谐振电路在整个负载范围内的运行情况做了详细分析[8]．F.Canales团队于2002年研究分析了一种三电平LLC谐振电路[9]．

随着分布式电源系统[10]出现后，学者们重新开始了关于LLC谐振变换器的研究．1999年台达开始研究LLC谐振电路．2001年台达就开始着手申请LLC谐振变换器的专利．2003年杨波全面分析了LLC谐振变换器，并提出了两种磁集成结构．自此开始国内研究热点聚焦在了LLC谐振变换器上．在拓扑结构方面主要研究的还是控制策略和参数的计算优化以及效率的提升．浙江大学主要研究方向是LLC谐振变换器的参数优化设计；南京航空航天大学则对LLC谐振变换器的控制策略做出了许多贡献，并提出了一种混合控制策略．

2 LLC谐振变换器

2.1 全桥式LLC谐振变换器

2.1.1 全桥式LLC谐振

目前最常见的是全桥式 LLC谐振拓扑，如图1所示，其原边含有4个开关管，给予开关管Q1、Q3(Q2、Q4)相同的驱动信号且占空比为0.5，驱动信号间还要设置死区时间用来避免出现直通现象；谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm形成谐振网络．当谐振电容Cr和谐振电感Lr谐振时，谐振频率被记为fr，当谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm一起谐振时，谐振频率被记为fm，因此选取不同开关频率fs时，就会产生三种工作模式．当开关频率fsfm时，变换器在感性区域工作，一次侧开关管能完成ZVS导通；如果将变换器的开关频率进一步限制为fm

图1 全桥式LLC谐振电路

在宽负载范围内，全桥LLC谐振变换器可以实现一次侧开关管的ZVS导通和二次侧二极管的ZCS关断，因此其适用于较大输出功率的场合．

但其谐振腔参数和控制策略比较难，一直都是人们关注的重点方向，文献[11]将基波分析和仿真分析相结合得出了设计参数．文献[12]中利用滑膜PI控制策略建立了闭环控制系统．文献[13]通过分析直流电压增益的特性以及效率随负载变化的情况得出设计参数．

2.1.2 采用SR整流的全桥LLC谐振拓扑

为了进一步提高传输效率减小副边损耗，出现了LLC谐振电路与同步整流技术相结合的方式，产生了利用SR整流的全桥LLC谐振拓扑[14]，其结构如图2所示，在电流已经确定的情况下，两个低端MOSFET用于代替二次侧二极管整流，避免出现直通的情况，必须以互补模式驱动两个MOSFET．当二极管中刚产生电流时，驱动信号为高电平，SR 导通，并且电流流经SR沟道；当二次侧SR中的电流即将降至零时，驱动信号为低电平，SR断开，剩余电流流经SR体二极管．

图2 采用SR 整流的全桥LLC谐振电路

2.1.3 带辅助双向开关的全桥LLC谐振拓扑

为了考虑最佳的正常工作效率和掉电保持时间，文献[15]介绍了一种带辅助双向开关的全桥LLC谐振变换器(BS-FBLLC)，如图3所示，开关管Q1-Q4组成变压器原边逆变全桥，Q5和Q6组成辅助双向开关，SR1和 SR2组成副边整流桥．当变换器切换到掉电保持模式时，辅助开关可通过调节占空比来提高电压增益，以确保电压稳定输出；当变换器在正常模式下工作时，开关管在软开关状态下工作，较低的开关损耗，工作效率能高达96.8%，可应用于分布式电源领域．

图3 BS-FBLLC谐振变换器拓扑

2.2 半桥式LLC谐振变换器

2.2.1 半桥式 LLC 谐振拓扑

其中半桥式LLC也是LLC谐振电路中的一个重要分支，常见结构如图4所示．半桥式LLC拓扑在性能上虽然与全桥式LLC很相似，都有两个谐振频率fr和fm，也是通过使开关频率fs满足fm

图4 半桥式LLC谐振电路

2.2.2 双半桥式LLC谐振拓扑

文献[16]中提出了双半桥式 LLC 谐振拓扑，其结构如图5所示，是在半桥LLC的基础上再并联一个半桥，解决了传统的变换器较低变换效率工作的问题，进一步提高了传输效率，虽然其控制电路设计比较麻烦，但此种电路适用于高压大功率输出的场合．

图5 双半桥式 LLC 谐振电路

2.2.3 有钳位二极管的半桥式LLC谐振拓扑

文献[17]中介绍了一种有钳位二极管的半桥式LLC谐振变换器拓扑，与半桥式LLC谐振相比，使用电容Cr1和Cr2串联的方式取代谐振电容Cr，如图6所示，降低了输入电流的纹波，同时钳位二极管也具有过流保护作用．因此，此类 LLC 谐振电路适合中小功率的场合．

图6 有钳位二极管的半桥式 LLC 谐振电路

2.2.4 半桥双谐振网络LLC谐振拓扑

为了减少半桥LLC谐振电路的输入电流纹波，提出了一种半桥双谐振网络LLC谐振电路，如图7所示．文献[18]中对其工作原理进行了详细叙述，此电路使用了两个变压器，并且其原边串联、副边并联．这样两个变压器就具有相同的原边电流，副边并联可以减少副边绕组和整流二极管上的电流应力．两个谐振网络互补工作，因此输入电流不会中断，并且可以有效地减小电流纹波．

图7 半桥双谐振网络LLC谐振电路

2.2.5 采用磁放大器的LLC谐振拓扑

为满足各种电压等级的电源要求，LLC 谐振变换器多路输出拓扑也得到人们的关注．对于半桥LLC谐振电路，为了提高其输入电压工作范围．文献[19]提出利用磁放大器作为副边辅助整流器的方法，并对其进行了详细分析，拓扑结构如图8所示，在副边并联上磁放大器．在低输入电压时，变换器工作在变频模态，与常规LLC变换器工作模态一样．在高输入电压时，磁放大器以辅助整流模式工作，并且变换器的工作频率被限制为最大频率，然后以固定频率工作．

图8 采用磁放大器调压的多路输出LLC谐振电路

2.3 三电平LLC谐振变换器

2.3.1 全桥三电平LLC谐振拓扑

随着三电平技术的发展，全桥三电平LLC谐振电路也被提出，如图9所示，其中8个开关管组成了三电平全桥电路，二极管(D9-D12)能完成输入电压钳位，电容C11和C12能够辅助外加电容充放电．谐振电路的控制方式还是比较难设计，否则会影响传输效率，文献[20]详细介绍了斩波移相控制下此电路的工作原理和参数设计，文献[21-22]提出了定频双移相控制方式，文献[23]中介绍了让全桥三电平LLC电路工作在两电平或三电平模式的控制策略，文献[24-25]提出并优化了变频与定频控制相结合的混合控制策略，文献[26]提出使用变压器副边电流来表示谐振电路的谐振特性，解决了控制器设计困难的问题．

图9 全桥三电平LLC谐振电路

2.3.2 半桥三电平LLC谐振拓扑

图10为半桥三电平LLC谐振拓扑，4个开关管组成了三电平半桥桥臂，半桥三电平LLC谐振电路既能解决MOSFET在电压等级的局限性，也能充分发挥LLC谐振变换器的特点，使得电路在较宽的输入电压范围下能取得较高的效率，所以此拓扑结构在高压输入、宽范围电压输出的应用场合具有广阔的应用空间和重要的研究价值，对此文献[27]中还给出移相和频率转换相结合的混合调制策略．

图10 半桥三电平LLC谐振电路

2.3.3 复合式全桥三电平LLC谐振拓扑

文献[28]中的复合式全桥三电平LLC谐振拓扑是LLC谐振网络与复合式全桥三电平两者优势相结合而形成的拓扑，其拓扑如图11．开关管Ql-Q4、分压电容Cin l和Cin 2、续流二极管D7和D8以及飞跨电容Cs形成三电平桥臂；Q5和Q6形成两电平桥臂．因此其结合了LLC谐振变换器的特性、两电平技术和三电平技术，于是也具有三电平和两电平两种工作模态，能适应不同的电压等级，其拓扑比三电平全桥LLC谐振拓扑更容易设计．其不仅能高效运行于全电压范围内，还能实现副边整流管ZCS，原边开关管ZVS．

图11 复合式全桥三电平LLC谐振电路

2.4 交错并联LLC谐振变换器

2.4.1 交错并联全桥LLC谐振拓扑

在LLC谐振转换器中，能量从变压器的一次侧传递到变压器的二次侧的负载侧．为了可以有效降低输出电流脉动，往往通过加大电容器的容量，但这带来的后果就是增大了电源体积．而LLC交错并联技术的使用却可以有效地改善变换器的电流纹波和功率密度，但是LLC谐振变换器交错并联时谐振元件的微小偏差将导致功率不能平均分配．为此文献[29]提出了一种具有调频和移相的全桥LLC控制方案，同时根据移相角来调整交错角，这样就能有效地减小输出电流纹波．其拓扑如图12所示．

图12 交错并联全桥LLC谐振电路

2.4.2 交错并联半桥LLC谐振拓扑

全桥和半桥LLC谐振变换器在大电流输出情况下，当二次侧电流不连续时，二次侧整流网络中因为不含电感，导致输出电流纹波变大．因此文献[30]提出了一种结构，其中两个半桥LLC谐振变换器交错并联，其拓扑结构如图13所示．为了增加输出电流纹波频率，将两个变换器开关管的驱动信号交错90°，这样就达到了减少输出电流纹波的目的．

图13 交错并联半桥LLC谐振电路

2.4.3 星形连接三相 LLC 谐振拓扑

当每路 LLC 谐振变换器使用相同的器件时，采用交错并联运行方式，各路输出电流平衡，各路电流纹波相消，总输出电流纹波有效降低．但实际中每个器件都有一定的差异，尽管这种差异很小，但最后每路变换器的输出功率会存在很大的差异，严重时将导致整个变换器的功率都由其中一路输出，而另两路几乎不传递任何能量．

为了解决这个问题，文献[31]提出了一种星形连接的三相LLC谐振拓扑，如图14所示．一次侧开关管驱动信号的相位差为120°，并且可能会出现这样的情况：某两相的谐振电流等于另一相的谐振电流，并且方向相反．当谐振参数不匹配时，可以避免某一相电流的过大下降．其他相的负载超过负载限制．通过固有的自动均流能力，可以解决由于谐振元件参数不匹配而引起的电流不均匀和输出电流纹波大的问题．

图14 星形连接三相 LLC 谐振电路

2.5 双向 LLC 谐振变换器

2.5.1 不对称型

为了适用在较大的电压变化范围场合，文献[32]提出了一种双向LLC谐振变换器，其拓扑是在单向LLC谐振拓扑基础上用可控开关管替代变换器中的整流二极管，如图15所示．其正向工作机制与单向LLC谐振变换器相同，但是因为Lm在反向工作期间被钳位，所以只有Lr和Cr在反向工作期间发生谐振，并且变换器的谐振特性会发生改变．

图15 不对称双向LLC 谐振电路

在反向工作的情况下，出于提高电压增益的考虑，文献[33]中提出了将辅助电感Lm2增加在一次侧的中点处的方法，如图16所示，这样就能完成正反向运行模式自动切换，有助于开关管实现ZVS．但额外的辅助电感增加了设计难度，增加了损耗，降低了转换效率．

图16 增加辅助电感双向 LLC 谐振电路

文献[34]在二次侧增加了辅助电容Cr2，使得变换器所有开关管都可实现软开关，但是其结构不对称，从而使其双向工作特性有所不同，这加大了电路设计的难度，电路结构如图17所示．

图17 增加辅助电容双向LLC 谐振电路

基于三电平全桥LLC谐振DC-DC变换器，一次侧采用三电平全桥，二次侧采用带中心抽头变压器，保持了宽增益、ZVS和降低电压应力的特性，适用于大功率场合，但是无法双向运行，文献[35]提出一种三电平双向LLC串联谐振变换器，如图18所示，适用于输入电压变化范围较宽且电压等级较高的应用背景．通过调节零电位占空比，使得变换器获得较宽的电压增益范围，并且所有开关管都能实现ZVS．

图18 三电平双向LLC串联谐振

通过以上对比分析可得，变换器在正向和反向工作中运行特性可能不一致，并且电路结构的不对称将增加变换器设计难度．因此，这些拓扑适用于不需要高成本控制的大功率应用．

2.5.2 对称型

与不对称结构相比，对称型结构拥有更好的性能，这种拓扑通过增加一个辅助电感的办法，使得其电路结构在正反向运行期间对称，如图19所示．为了在变频升压模式下增大其电压增益范围，文献[36]介绍了一种变频-移相控制方法，使得变换器在变频控制下具有升压能力，在移相控制下具有降压能力．并且能在较宽电压增益范围内实现开关管的ZVS和ZCS，进而降低开关损耗提高效率．

图19 双向全桥 LLC谐振电路

双向半桥LLC拓扑如图20所示，文献[37]介绍了一种新的扩展谐波近似建模方法，再结合相位跟踪技术就把变换器的效率提高了1.8%．文献[38]在综合考虑变压器各项参数的情况下，提出了一种基于遗传算法的多目标优化算法，直接让变换器的峰值效率达到98.2%．

图20 双向半桥 LLC 谐振电路

对称双向LLC谐振转换器在次级侧增加Lr2和Cr2，就使得图19和图20所示的变换器具有完全对称的电路结构，因为Lm存在于实际电路的变压器中，因此其在正反向工作期间谐振网络是相同的．

文献[39]提出一种双向半桥三电平LLC谐振变换器，其在结构上是对称的，如图21所示．在与相应的同步控制策略配合情况下，要想实现正反向运行模式的自动切换，仅仅控制不同增益下的开关频率即可完成．当增益为1时，开关管均可实现ZVS；当增益不为1时，低压侧开关管总能实现ZVS，高压侧则能实现ZVS或ZCS．

图21 双向半桥三电平LLC谐振电路

3 LLC拓扑结构的展望

相对于其他谐振拓扑，LLC之所以能够被广泛使用，主要是因为其可以将两个谐振元件集成在一个变压器之中，这样不仅减小了体积，也大大节约了成本．国内研究主要集中在LLC主电路拓扑的优化和改进上，而忽视了磁性元件这一问题．如果把磁性元件都集成在同一个磁芯上，再结合平面变压器技术的发展，这将极大地减小变换器的体积，能大幅提高其功率密度．

LLC谐振腔的合理参数设计同样是LLC谐振电路能否在宽负载范围内实现软开关、能否通过调频和移相控制来实现输出电压大范围调节的重要前提．LLC谐振腔参数的选择与电路的品质因数Q和电感比K(励磁电感与漏感之比)密切相关．目前国内外的研究都未充分结合Q和K对谐振腔增益曲线的影响，参数设计方法大同小异，因此如何研究出一套合理的参数设计方法是很有必要的．

4 结语

本文从LLC谐振变换器的发展着手，对现有的拓扑结构进行了归纳分析，有利于以后LLC谐振拓扑的设计工作，随着科技不断发展，仍然面临一些新的问题与挑战，半导体材料以及制造工艺的升级，未来氮化镓器件和碳化硅器件在高压高频领域将会被广泛应用．LLC谐振拓扑自身具备的软开关能力能有效减少开关损耗．如果设计合适的驱动控制电路把两者优势结合起来，这样就可以在原有基础上提高功率密度，提升效率．