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前幾天我們聊了充電樁地前級Vienna整流器的相關(guān)原理和調(diào)制方式，接下來我們來聊一聊后級的DC/DC轉(zhuǎn)換電路——后級半橋三電平LLC電路。

直流充電樁的前級電路輸出的母線電壓在800V左右，采用半橋三電平LLC電路不僅可以將開關(guān)管上承受的電壓應(yīng)力降低為原來的一半，而且在圈電壓范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS(零壓開通)和整流二極管的ZCS(零電流關(guān)斷)。

這樣能夠減小開關(guān)管和整流管上所承受的應(yīng)力，提高壽命;同時(shí)，也可以減小開關(guān)損耗，提高整體效率。

【資料圖】

今天我們就來聊聊后級LLC電路的工作原理。

半橋三電平LLC的基本電路拓?fù)淙缦聢D：

主功率開關(guān)器件包括：原邊的四個(gè)MOSFET(Q1~Q4)和副邊的全橋整流二極管(D5~D8)。其中，D1~D4和C1~C4分別是各個(gè)MOS管對應(yīng)的寄生二極管和結(jié)電容。

諧振腔元件：Lr是諧振電感，包含線路中的電感和變壓器的漏感;Cr是諧振電容;Lm是主變壓器的勵(lì)磁電感。C11和C12是分壓電容，用來穩(wěn)定諧振腔的正負(fù)輸入電壓;D11和D12是鉗位二極管，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管上的電壓能夠被鉗位在輸入電壓的一半;C10是飛跨電容;Co是輸出濾波電容。

LLC諧振電路根據(jù)功能可以劃分為方波輸入、串聯(lián)諧振和輸出整流濾波三大網(wǎng)絡(luò)。其中最為關(guān)鍵的部分是串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)串聯(lián)電感和電容的諧振特性，可知LLC諧振網(wǎng)絡(luò)具有兩個(gè)諧振點(diǎn)。第一諧振過程(由諧振電感Lr和諧振電容Cr單獨(dú)諧振)、第二過程(由勵(lì)磁電感Lm和諧振電感Lr一起和諧振電容Cr共同諧振)，構(gòu)成的諧振頻率點(diǎn)分別為：

LLC電路常用的控制手段是調(diào)頻和移相控制。其中移相控制保證超前管Q1和Q4實(shí)現(xiàn)ZVS，但是Q2和Q3在輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)二極管還存在反向恢復(fù)問題，不利于電路的穩(wěn)定性和效率，所以移相控制是增大輸出電壓的范圍來作為補(bǔ)充控制。

為了開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS，故要使諧振腔呈現(xiàn)感性狀態(tài)，其輸入的高頻方波電壓的頻率必然會(huì)大于諧振點(diǎn)的頻率fr2。根據(jù)電路開關(guān)頻率與諧振頻率點(diǎn)fr1的關(guān)系可以分為三種狀態(tài)：欠諧振、準(zhǔn)諧振和過諧振。在這其中準(zhǔn)諧振是電路最為理想的工作狀態(tài)，即fs=fr1，此時(shí)的電路效率最高，且在半個(gè)周期結(jié)束時(shí)勵(lì)磁電流iLM和諧振電路iLr恰好相等，輸出整流管電流恰好減小為零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

一般，LLC諧振變換器借助于第二諧振過程來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS和輸出整流管的ZCS，故其常工作于欠諧振狀態(tài)下，下面我們以此來講講。

下圖是欠諧振下的主要波形：

t0~t12是穩(wěn)態(tài)下一個(gè)開關(guān)周期對應(yīng)的時(shí)間，t0~t6和t6~t12分別對應(yīng)正負(fù)半周期，正負(fù)半周期實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS的機(jī)理一致的，只是電流的流通路徑相反，所以我們以正半周期聊一下。

①t0~t1

上橋臂兩個(gè)開關(guān)管Q1和Q2同時(shí)開通，諧振元件為電感Lr和電容Cr，勵(lì)磁電感Lm被輸出負(fù)載鉗位;諧振腔輸入電壓為+Vin/2，則諧振電流按照近正弦規(guī)律快速上升，勵(lì)磁電流正向線性增大;

②t1~t2

t1時(shí)刻(勵(lì)磁電流上升到和諧振電流相等)，變壓器上傳輸?shù)蕉蝹?cè)的電流減為零，整流管D5和D6實(shí)現(xiàn)ZCS;勵(lì)磁電感Lm也參與了諧振的過程，此時(shí)的諧振電流和勵(lì)磁電流是同一個(gè)電流，并且以第二諧振頻率發(fā)生諧振直到開關(guān)管Q1關(guān)斷。為了避免環(huán)流加大電路損耗以及對變壓器磁飽和的影響，此過程時(shí)間一般都比較短，所以我們可以認(rèn)為這段時(shí)間內(nèi)諧振電流不變;

③t2~t3

上橋臂的超前管Q1在t2時(shí)刻關(guān)斷，Q1上的結(jié)電容C1通過飛跨電容開始接受Q4上結(jié)電容C4的電荷，也就是uc1上升，uc4下降;直到t3時(shí)刻uc1達(dá)到Vin/2，使得D11導(dǎo)通將其鉗位。可知開關(guān)管上的最大電壓是輸入電壓的一半;

④t3~t4

在t3時(shí)刻，uc1=+Vin/2，uc4下降為0;在D11導(dǎo)通后，諧振腔的輸入電壓變?yōu)?。

⑤t4~t5

此時(shí)，上橋臂的滯后管Q2在t4時(shí)刻關(guān)斷，飛快電容D11的作用，uc2上升，uc3下降，則諧振腔的輸入電壓從0逐漸減小為-Vin/2;同時(shí)受到輸入電壓Vin和uc3的共同限制，uc2最大也就是Vin/2.由于諧振腔對外表現(xiàn)為感性，所以當(dāng)諧振腔輸入電壓從零變?yōu)樨?fù)是，諧振電流還是正向的。

⑥t5~t6

上橋臂的滯后管Q2在t5時(shí)刻完全關(guān)斷，諧振腔的輸入電壓將變成-Vin/2，由于諧振電流的方向仍為正，那么諧振電流將流過Q3和Q4的寄生二極管，為其ZVS做準(zhǔn)備。則隨著諧振電流的快速變化，勵(lì)磁電感上的電壓將會(huì)大于輸出電壓折算到原邊的電壓，這樣的結(jié)果就是勵(lì)磁電感將會(huì)脫離諧振腔。