DHH带你深入浅出LLC.5

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第5章 软开关——ZVS是如何实现的

软开关是LLC最核心的价值主张，而ZVS的实现依赖于一个看似微不足道却至关重要的时间窗口——死区时间。

5.1 ZVS的物理过程

在死区时间内，半桥的两个开关管都处于关断状态。此时谐振腔中仍然有电流在流动（因为谐振电流不会突变）。这个电流的方向取决于当前的工作半周期：如果上半周期Q1导通，死区开始时电流从半桥中点流出；如果下半周期Q2导通，死区开始时电流流入半桥中点。

关键来了：这个谐振电流会通过MOSFET的体二极管续流，同时给两个开关管的Coss充放电。以Q1关断、Q2准备开通为例，谐振电流在死区期间将半桥中点的电压从Vin拉向0。当电压降到零时，Q2的体二极管自然导通，此时开通Q2，其漏源电压已经是零，实现ZVS。

5.2 死区时间的约束

死区时间太短，半桥中点电压还没来得及被拉到0或Vin，开关管就已经开通，ZVS失败。死区时间太长，谐振电流在体二极管中导通时间过长，导通损耗增加；更严重的是，如果死区时间超过了谐振电流反向过零的时间，Coss会被反向充电，半桥中点电压重新偏离目标值，同样导致ZVS失败。

因此，死区时间存在一个“窗口”：下限由Coss的充放电时间决定，上限由谐振电流的反向过零时间决定。这个窗口的宽度与励磁电感Lm密切相关——Lm越小，励磁电流越大，死区期间可用的充放电电流越充分，窗口越宽。但Lm减小会增加环流损耗，所以死区时间的设计本质上是在ZVS可靠性和效率之间寻找平衡点。

在一个宽范围LLC设计中，最恶劣的ZVS条件出现在满载、最低输入电压、最高开关频率下。此时谐振腔的感性电流最小，Coss的充放电最困难。仿真和实验表明，对于320-370V输入、输出40-165V的LLC，最优死区时间约为184-195ns。对于MHz级的高频设计，死区时间需要压缩到50-100ns量级，这对驱动电路的延时精度提出了更高要求。

5.3 副边的软开关

原边ZVS只是故事的一半。在fs ≤ fr的工作区间内，副边整流二极管在电流自然过零时关断，没有反向恢复过程，等效于ZCS。这意味着二极管可以在没有反向恢复损耗的条件下工作，对于高频应用尤其重要——反向恢复损耗随频率线性增长，是限制开关频率提升的主要瓶颈之一。

在fs > fr时，副边二极管在电流尚未过零时就被强迫关断，反向恢复损耗重新出现。因此，从效率角度出发，LLC的设计应尽量让额定工作点落在fr附近或略低于fr的区间内。

江波波

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