LLC諧振電路是常用的拓撲，廣泛應用在目前的熱門應用中，本文主要從典型諧振狀態來分析其基本工作過程，後續我們將逐步擴展到其它工作狀態。
一.電路工作基本條件及電路組成
圖1 電路主要組成部分
如上圖1所示，當Q1,和Q2交替導通時，相當於一個幅值為Vdc的方波電壓加在上圖中的諧振腔部分，那麼必然在諧振腔電路中產生正弦電流。正弦電流和基波電壓的基本相位關係主要有三種，電壓電流同相位，電壓超前於電流相位，電壓滯後於電流相位。當電壓超前於電流時電路處於感性工作區域，電壓滯後於電流相位時電路處於容性工作狀態。本文重點分析感性工作狀態區域。
這裡我們進行開關節點的狀態分析，單獨將開關部分拿出來作為圖2，如下所示。
圖2 半橋開關節點狀態分析
這個半橋LLC諧振開關主要由上下mosfet Q1和Q2組成的半橋開關，我們定義諧振腔電流留出兩個電流中點時為正電流，相反方向為負電流。D1和D2為開關寄生的體二極體，C1和C2為開關的寄生電容。
二.開關的ZVS開通簡要分析
圖3 開關ZVS開通分析
接下來，我們基於圖3所示的驅動波形及諧振腔電流波形進行ZVS開通分析。
圖4 t0-t1階段諧振電流流入D1
在t0時刻，電路中的開關均處於turn off狀態，諧振腔電流中只有磁化電流且為負電流，這個電流流入電容中點進入Q1的體二極體，此時若turn on Q1開關，則由於Q1兩端的電壓非常小，則開通損耗就非常小。所以，一般認為只要在t0-t1之間的時刻開通Q1，則Q1的開通損耗非常小，此時電路處於感性工作區域，且得到ZVS開通特性。
圖5 t1-t2之間Q1開通向輸出傳遞能量
t1-t2之間的工作狀態比較簡單，Q1的開關是導通的，因此諧振腔電壓為正，諧振腔電流也為正，輸入源Vdc向輸出傳遞能量。
圖6 t2-t3之間Q2的ZVS開通
在t2時刻時，Q1是關閉的，而諧振電流為正，因此只能流過Q2的體二極體D2,Q2兩端的電壓就非常小，在t2和t3之間的時刻開通Q2，這個開關就會得到ZVS開通的特性，開通損耗非常小。
圖7 t3-t4 Q2開關開通向輸出傳遞能量
t3-t4之間段，半橋開關的下管Q2導通，諧振電流流入電容中點，因此這個階段輸入源通過Q2開關向輸出傳遞能量，此時電壓和電流的方向都是負的。
三．電路諧振狀態時序詳細分析
說到電路的諧振狀態分析，我們先了解一下電路存在的兩個諧振工作頻率。
圖8 電路的諧振頻率fr
諧振電路由於存在諧振電感和諧振電容，因此具有一個諧振頻率fr如圖8所示。另一個諧振頻率是由磁化電感Lm和諧振電容導致，如圖9所示。
圖9 電路的諧振頻率fr2
當我們提到諧振頻率的時候，我們通常是說fr這個頻率。為了方便計算和分析，我們通常會用當前工作頻率相對於fr來定義歸一化頻率，如圖10所示。
圖10 歸一化頻率的定義
下面我們主要基於如下的電路進行分析詳細工作時序，如圖11所示。
圖11 LLC電路原理框圖
從中可以看出，開關同樣包含了寄生體二極體，及寄生電容，寄生電容包含mosfet CDS寄生電容及電路雜散電容,副邊整流為了清晰說明原理，我們採用了二極體整流，後續我們會專門討論同步整流相關的問題。
圖12 LLC諧振電路典型工作波形
在圖12中的典型工作波形中，我們給出了以下主要信號波形，主要包括Q1,Q2開關驅動波形，原邊電流，包含磁化電流和諧振腔負載電流，mosfet開關兩端的電壓即C1和C2兩端電壓，副邊電流即D3和D4的電流。
電路分析主要以時間間隔來說明，這裡重點解釋一下原邊電流部分，除了負載電流反射到原邊的電流之外，諧振腔的磁化電流部分不參與能量傳遞過程。
圖13 t<t0時的電路狀態
最初的電路狀態假設如圖13所示，下管Q2導通，諧振電流為負流入電容節點，副邊整流管D4導通，電路向副邊傳遞能量。
圖14 t1-t2的死區電路分析
從t0時刻時Q2驅動會關掉，則兩個開關都處於turn off狀態，電路進入死區時間階段t0-t1，此階段沒有能量從Vdc傳遞到輸出端，諧振腔電流僅僅為磁化電流進行諧振換流且基本保持固定值。所謂的諧振換流，就是負的磁化電流在對寄生電容C1和C2充放電，在這個階段電流是負的，所以主要是對C2進行充電同時對C1進行放電。
這裡有一個需要設計者注意的是磁化電流需要足夠大，以便在特定的死區時間內能夠完成對C1的充電和對C2的放電，設計者可以進行合適的死區時間選擇和器件寄生參數的選擇。當C2電壓充電到高於Vdc時開關Q1的體二極體D1就可以隨時準備導通。
在死區階段，由於磁化電流基本不變，變壓器副邊電壓為0，因此副邊整流管都不導通。
圖15 t1-t2階段電路分析
這個階段當Q1還沒有導通的時候，諧振電流還是流入寄生二極體D1（不向副邊傳遞能量）,因此開關Q1兩端的電壓非常小，此時若turn on Q1時可以得到ZVS開通特性，一旦開通Q1後，Vdc就把能量傳遞到輸出端，副邊整流管D3就可以導通。
圖16 t2-t3階段的能量傳遞階段電路分析
上圖中即是Q1和D3導通,Vdc向輸出傳遞能量的第一個半周期，輸出電壓對變壓器進行鉗位，則磁化電流線性上升，如圖17所示，此時諧振腔電流疊加了負載電流所以比較大。
圖17 磁化電流變換公式
在典型波形圖上的C波形，諧振電流波形上的藍色部分就是在能量傳遞過程中，除了磁化電流外獲得的諧振腔電流。
圖18 t3-t4階段死區電路分析
在t3時刻時，Q1還是導通狀態，此時諧振電流等於磁化電流，此時turn off Q1開關，如果此時諧振腔電流較小時，則Q1關斷損耗會比較小。
值得注意的是，這裡有兩個需要考慮的衝突的點，在這個時刻需要關斷Q1時的諧振電流儘可能地小（Lm足夠大），以便減小關斷損耗，但是在前面的Q1開通分析時，希望諧振電流儘可能地大（Lm足夠小），以便在特定地死區時間內去完成C2充電和C1放電的過程。這裡一般推薦用一個較大的Lm值去滿足開通時充電諧振過程，滿足ZVS開通。
這個階段對應於Q1的關斷，及諧振充電放電過程，以便為Q2導通做準備。這個過程中，由於是死區時間，諧振電流是磁化電流，C2會通過磁化電流放電，同時對C1進行充電，當C1上的電壓略高於Vdc時D2就可以導通。
截止目前，第一個半周期的工作過程已經分析完了，後面的t4-t7之間的工作過程和前面一個半周期對稱的過程，此處不做具體分析。
總結，本文通過分析LLC諧振電路基本電路參數組成，典型諧振頻率，及基本工作過程進行分析，對後續的擴展分析做基礎。
參考文獻：AN1336 DC/DC LLC Reference Design Using dsPIC DSC