LLC谐振变换器与不对称半桥变换器的对比

1两种变换器的工作原理

1.1不对称半桥变换器

图1和图2分别给出了传统的不对称半桥变换器的电路图和工作波形。图1中包括两个互补控制的功率mosfet（s1和s2），其中s1的占空比为d，s2的占空比为（1－d）；隔直电容cb，其上电压作为s2开通时的电源；中心抽头变压器tr，其原边匝数为np，副边匝数分别为ns1和ns2；半桥全波整流二级管d1和d2；输出滤波电感ld，电容cf。
　　
不对称半桥（ahb）变换器的稳态工作原理如下。
　　
1）当s1导通s2关断时，变压器原边承受正向电压，副边ns1工作；二极管d1导通，二极管d2截止；
　　
2）当s2导通s1关断时，隔直电容cb上的电压加在变压器的原边，副边ns2工作，二极管d1截止。
　　
图2中n1=np/ns1，n2=np/ns2，且n1=n2=n。通过对电路的分析，可以得到传统不对称半桥变换器占空比d的计算公式　　

1.2llc谐振变换器

图3和图4分别给出了llc谐振变换器的电路图和工作波形。图3中包括两个功率mosfet（s1和s2），其占空比都为0.5；谐振电容cs，副边匝数相等的中心抽头变压器tr，tr的漏感ls，激磁电感lm，lm在某个时间段也是一个谐振电感，因此，在llc谐振变换器中的谐振元件主要由以上3个谐振元件构成，即谐振电容cs，电感ls和激磁电感lm；半桥全波整流二极管d1和d2，输出电容cf。
　　
llc变换器的稳态工作原理如下。
　　
1）〔t1，t2〕当t=t1时，s2关断，谐振电流给s1的寄生电容放电，一直到s1上的电压为零，然后s1的体二级管导通。此阶段d1导通，lm上的电压被输出电压钳位，因此，只有ls和cs参与谐振。
　　
2）〔t2，t3〕当t=t2时，s1在零电压的条件下导通，变压器原边承受正向电压；d1继续导通，s2及d2截止。此时cs和ls参与谐振，而lm不参与谐振。
　　
3）〔t3，t4〕当t=t3时，s1仍然导通，而d1与d2处于关断状态，tr副边与电路脱开，此时lm，ls和cs一起参与谐振。实际电路中因此，在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。
　　
4）〔t4，t5〕当t=t4时，s1关断，谐振电流给s2的寄生电容放电，一直到s2上的电压为零，然后s2的体二级管导通。此阶段d2导通，lm上的电压被输出电压钳位，因此，只有ls和cs参与谐振。
　　
5）〔t5，t6〕当t=t5时，s2在零电压的条件下导通，tr原边承受反向电压；d2继续导通，而s1和d1截止。此时仅cs和ls参与谐振，lm上的电压被输出电压箝位，而不参与谐振。
　　
6）〔t6，t7〕当t=t6时，s2仍然导通，而d1和d2处于关断状态，tr副边与电路脱开，此时lm，ls和cs一起参与谐振。实际电路中因此，在这个阶段可以认为激磁电流和谐振电流都保持不变。
　　
通过上面的详细分析，对这两类软开关型变换器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面将对它们之间的差异进行比较，进一步加深对它们的认识。

2两种变换器差异的对比
　　
虽然不对称半桥变换器和llc谐振变换器都是软开关型变换器，但是，两者有本质的区别。不对称半桥变换器是pwm型的，而llc谐振变换器是谐振型的，因此，它们在控制方法、副边整流管的电压应力、原边的电流应力等方面有很大的差异，下面将对这些差异进行详细分析。

2.1控制方法的对比
　　
不对称半桥变换器通过调节开关管的占空比来调节输出电压，图5给出了在不同的输入电压下的占空比变化情况，从图5可以看出当输入电压变化范围比较大时，开关管的占空比变化范围也比较大，因此，不对称半桥变换器的掉电维持时间特性比较差。

与不对称半桥变换器相比，llc谐振变换器是通过调节开关频率来调节输出电压的，也就是在不同的输入电压下它的占空比保持不变，因此，与不对称半桥相比，它的掉电维持时间特性比较好，可以广泛地应用在对掉电维持时间要求比较高的场合。

2.2副边整流管电压应力的对比

通过对不对称半桥变换器工作原理的分析，可以得到副边二极管上的电压应力的计算方法如式（2）及式（3）所示，这样当输入电压变化时，就可以了解副边二极管电压的变化情况。图6给出了输出电压为48v时副边整流管上电压变化情况。当输入电压比较高时，d2上的电压比较高，因此，d2必须选用耐压等级比较高的二极管，这样就会增加电路的损耗。　　

相同条件下，llc谐振变换器中副边二极管上的电压应力比不对称半桥变换器小很多，因为，在llc谐振变换器中副边二极管上的电压应力是输出电压的2倍，如图7所示。因此，在llc谐振变换器中可以选择耐压比较低的二极管，从而可以提高电路的效率。

2.3副边二极管的开通对比
　　
从对不对称半桥变换器的分析可知其副边二极管是硬开通，损耗比较大；而从对llc谐振变换器的分析可知其副边二极管是零电流开关，损耗比较小，这样就可以提高变换器的效率。

2.4其他方面
　　
首先，在不对称半桥变换器中上下开关管的占空比是互补的，因此，不对称半桥变换器中的变压器有直流偏置现象；而在llc谐振变换器中上下开关管的占空比是相等的，因此，llc谐振变换器中的变压器没有直流偏置现象。
　　
其次，llc谐振变换器是通过调开关管的工作频率来调节输出电压，因此，对于llc谐振变换器来说，要实现同步整流控制比较复杂；而不对称半桥变换器是通过调开关管的占空比来调节输出电压，因此，对于不对称半桥变换器来说，要实现同步整流控制比较简单。

另外，通过对llc谐振变换器的分析，可知其电流应力比较高；而在不对称半桥变换器中电流应力比较低。

3结语
　　
通过对不对称半桥变换器和llc谐振变换器的分析和研究，对它们的控制方法，副边整流管电压应力和副边开通等进行的对比，可以知道llc谐振变换器更能适合电源对高频和高效率的发展需求。