llc谐振变换器工作原理

LLC 谐振变换器中 MOSFET失效模式的分析

AN-9067

LLC 谐振变换器中MOSFET失效模式的分析

摘要

提高功率密度已经成为电源变换器的发展趋势。为达到这个目标，需要提高开关频率，从而降低功率损耗、系统整体尺寸以及重量。对于当今的开关电源(SMPS)而言，具有高可靠性也是非常重要的。零电压开关(ZVS) 或零电流开关(ZCS) 拓扑允许采用高频开关技术，可以最大限度地降低开关损耗。ZVS拓扑允许工作在高频开关下，能够改善效率，能够降低应用的尺寸，还能够降低功率开关的应力，因此可以改善系统的可靠性。LLC谐振半桥变换器因其自身具有的多种优势逐渐成为一种主流拓扑。这种拓扑得到了广泛的应用，包括高端服务器、平板显示器电源的应用。但是，包含有LLC谐振半桥的ZVS桥式拓扑，需要一个带有反向快速恢复体二极管的MOSFET，才能获得更高的可靠性。本应用笔记讨论了LLC谐振变换器中潜在失效模式和机理，并为防止失效，提供一种简单、高性价比的解决方案。

LLC谐振半桥变换器

LLC谐振变换器与传统谐振变换器相比有如下优势[7]： 宽输出调节范围，窄开关频率范围 即使空载情况下，可以保证ZVS 利用所有的寄生元件，来获得ZVS。

LLC谐振变换器可

正弦振幅变换器工作原理

正弦振幅变换器采用全桥式变换电路。DC/AC 部分采用全桥电路的转换方式，给变压器做高频交流供电。变压器二次侧也采用全桥方式的同步整流电路，（当然也可以采用半桥式或推挽式的同步整流电路）再将高频交流转变为直流。

控制IC只需产生高频（达4MHz）振荡，并给出两相脉冲输出，工作频率可达2Mhz的占空比各50％的驱动脉冲，但要求有足够的驱动能力。两相输出接到驱动变压器Ｔ2，由T2去驱动主功率变压器两侧的八支MOSFET。其工作状态描述如下：在控制IC的作用下，初级侧的功率 MOSFET Ｑ1，Q4及次极侧同步整流的MOSFET Ｑ21，Ｑ24同时导通，关断。但Ｑ1，Ｑ4导通时，Ｑ2，Ｑ3要关断, Q22, Q23也要关断，反之亦然。两者之间的死区要能根据MOSFET的开关速度进行调节，以便确保工作正常。防止共导。

功率变压器采用的结构方式为：将初级绕组等分为两段。在中间串入谐振电容Ｃres，初级绕组漏感要尽量小，因此需要采用三明治式的夹层结构，将二次绕组放在中间。但为了谐振能正常工作，令其Ｑ值在2-3之间，这样的Q值既可以高效率的传输能量，又可以确保 L C 的谐振。

现在开始分析其工作过程：在某时刻T0时

正弦振幅变换器工作原理

正弦振幅变换器采用全桥式变换电路。DC/AC 部分采用全桥电路的转换方式，给变压器做高频交流供电。变压器二次侧也采用全桥方式的同步整流电路，（当然也可以采用半桥式或推挽式的同步整流电路）再将高频交流转变为直流。

控制IC只需产生高频（达4MHz）振荡，并给出两相脉冲输出，工作频率可达2Mhz的占空比各50％的驱动脉冲，但要求有足够的驱动能力。两相输出接到驱动变压器Ｔ2，由T2去驱动主功率变压器两侧的八支MOSFET。其工作状态描述如下：在控制IC的作用下，初级侧的功率 MOSFET Ｑ1，Q4及次极侧同步整流的MOSFET Ｑ21，Ｑ24同时导通，关断。但Ｑ1，Ｑ4导通时，Ｑ2，Ｑ3要关断, Q22, Q23也要关断，反之亦然。两者之间的死区要能根据MOSFET的开关速度进行调节，以便确保工作正常。防止共导。

功率变压器采用的结构方式为：将初级绕组等分为两段。在中间串入谐振电容Ｃres，初级绕组漏感要尽量小，因此需要采用三明治式的夹层结构，将二次绕组放在中间。但为了谐振能正常工作，令其Ｑ值在2-3之间，这样的Q值既可以高效率的传输能量，又可以确保 L C 的谐振。

现在开始分析其工作过程：在某时刻T0时

降压变换器的基本工作原理

在汽车中，有些照咖是由单个LED担任的，如顶灯、地图灯、行李箱照明灼。以及门灯等。一只白光LED的正向压降为3—4V，汽车由蓄电他提供的内部电压，一舱为12—14V，这就出现了输入电压远远超过LED所需要的情况。如果采用线性稳压器通过降压来驱动L四，必然会出现电源功率转换效率过低的问题。为此，必须采用开关型DC仍C降压变换器，宅既为LED提供所需的低压电源、恒定的电流，又能有较高的转换效率。降压变换器(BuCk)又称串联开关稳压器或开关型降压稳压器。下面介绍降压变换器的基本电路拓扑和它的工作原理。 降压变换器的电路形式及工作原理 降压变换器的电路形式如图所示

是开关管，VD是开关二极管，在VT截正期间，为电感电流提供继续流通的通路。由图见，输入和输ABC电子出在电气上是直接相通的，无隔离，属于非隔离型功率变换器。 为分析简便起见，在电路的工作频率较高、电感工和电容Co较大时，输出电压和流过二极管的电流可以视为稳定不变的，艾博希电子分别以定位RO、Jo表尔 当VT导退时，由于假定输入、输出电压是同定的，电感两端电压差RD厂RO也是一个定值，这样，流过电感L的电流将按线性斤升，由初始的

DC-DC变换器原理 DC/DC Converter Principle

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为直流电源使用呢，对于对电压没有准确要求的微、小型用电设备是可以的，如计算器、玩具等。太阳电池输出电压取

大小与光照强度直接有关，不能直接作为正规电源使用。通过DC-DC变换器可以把太阳电池输出的直流电转换成稳定

是直流——直流变换器，是太阳能光伏发电系统的重要组成部分，下面就其原理作简单介绍。

这样画风景不真实，但是很美

)工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）

1左上部是一个斩波基本电路，Ud是输入的直流电压，V是开关管，UR是负载R上的电压，开关管V把输

T，在V导通时输出电压等于Ud，导通时间为ton，在V关断时输出电压等

1下部绿线为连续输出波形，其平均电压如红线所示。改变脉冲宽度即可改变输

UR1）较高；在时间t1 后脉冲变窄，平均电压（UR2）降低。固定方波周期T不变，改变占空比调节输出电

Buck变换器。

图1 DC-DC变换基本原理

2是加有LC滤波的电

双PWM变换器工作原理及其优缺点

和适用范围

姓名：刘健 学号：2015282070173

脉宽调制（PWM）技术就是控制半导体开关元件的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。由于它可以有效地进行写拨抑制，而且动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子变换器逆变中广泛应用，其技术也日益完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现对双PWM电路的主电路和控制电路的设计如下：

1基本原理

双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路如图1所示：

图1双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路

变换器的2 个PWM 变换器的主电路结构完全相同,三相交流电源经PWM整流器整流，再经PWM逆变器逆变为频率和幅值可调的交流电，带动三相电阻负载。整流器和逆变器触发电路的设计是变换器设计的核心。

2 整流电路

从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流器。目前，P

双PWM变换器工作原理及其优缺点

和适用范围

姓名：刘健 学号：2015282070173

脉宽调制（PWM）技术就是控制半导体开关元件的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。由于它可以有效地进行写拨抑制，而且动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子变换器逆变中广泛应用，其技术也日益完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现对双PWM电路的主电路和控制电路的设计如下：

1基本原理

双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路如图1所示：

图1双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路

变换器的2 个PWM 变换器的主电路结构完全相同,三相交流电源经PWM整流器整流，再经PWM逆变器逆变为频率和幅值可调的交流电，带动三相电阻负载。整流器和逆变器触发电路的设计是变换器设计的核心。

2 整流电路

从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流器。目前，P

双PWM变换器工作原理及其优缺点

和适用范围

姓名：刘健 学号：2015282070173

脉宽调制（PWM）技术就是控制半导体开关元件的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。由于它可以有效地进行写拨抑制，而且动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子变换器逆变中广泛应用，其技术也日益完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现对双PWM电路的主电路和控制电路的设计如下：

1基本原理

双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路如图1所示：

图1双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路

变换器的2 个PWM 变换器的主电路结构完全相同,三相交流电源经PWM整流器整流，再经PWM逆变器逆变为频率和幅值可调的交流电，带动三相电阻负载。整流器和逆变器触发电路的设计是变换器设计的核心。

2 整流电路

从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流器。目前，P

双PWM变换器工作原理及其优缺点

和适用范围

姓名：刘健 学号：2015282070173

脉宽调制（PWM）技术就是控制半导体开关元件的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。由于它可以有效地进行写拨抑制，而且动态响应好，在频率、效率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子变换器逆变中广泛应用，其技术也日益完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现对双PWM电路的主电路和控制电路的设计如下：

1基本原理

双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路如图1所示：

图1双PWM 交—直—交电压型变换器的主电路

变换器的2 个PWM 变换器的主电路结构完全相同,三相交流电源经PWM整流器整流，再经PWM逆变器逆变为频率和幅值可调的交流电，带动三相电阻负载。整流器和逆变器触发电路的设计是变换器设计的核心。

2 整流电路

从PWM整流器的功能可见，PWM整流器应该是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流器。目前，P

5.2 反激变换器

反激变换器就是在Buck-Boost变换器的开关管与续流二极管之间插入高频开关变压器，从而实现输入与输出电气隔离的一种DC-DC变换器，因此，反激变换器实际上就是带隔离的Buck-Boost变换器。反激变换器能量传输的时机与正激变换器正好相反，它是在开关关断期间向负载传输能量。由于反激变换器的高频变压器除了起变压作用外，还相当于一个储能电感，因此，反激变换器也称之为“电感储能式变换器”或“电感变换器”。

5.2.1 单管反激变换器的组成和工作原理

1. 单管反激变换器的电路组成及工作原理

单管反激变换器的主电路结构如图5.2.1所示，图中Vi为输入电压、VO为输出电压、iO为输出电流、VT为开关管，VD为续流二极管、C为输出滤波电容、RL为负载电阻。L1、L2为高频变压器T的原、副边分别对应的电感，流过原、副边的电流分别为iN1、iN2，变压器变比n=N1/N2，变压器变比的倒数用“γ”表示，即γ= N2/N1（后面的分析会发现：对于反激变换器，其有关表达式中用“γ”表示更好）。

iN1TVDL1ViPWMiN2icIoL2CRLVoVT图5.2.1单端反激变换器的主电路图

单管反激变换器的工作原理：在开关管VT导通期