1、LLC电路的工作原理及软开技术
LLC电路，一个由两个电感和一个电容共同构成的谐振电路，因其独特结构而得名。其拓扑设计，依据MOS管的布局，可分为半桥和全桥两种类型。在这个电路中，两个电感分别扮演着变压器一次侧漏感（Lr）和励磁电感（Lm）的角色，而电容则是变压器一次侧的谐振电容（Cr）。正是通过这种精妙的谐振设计，LLC电路能够实现MOS管的软开（soft switching），从而显著降低开关过程中的损耗。同时，由于MOS管的通态损耗极低，产生的焦耳热微乎其微，因此无需额外添加散热片进行散热。这些卓越特性使得LLC电路在DC/DC Converter中得到了广泛的应用。
为了便于后续的阐述，我们首先对电路进行简化处理。当我们从励磁电感Lm的两端进行观察时，可以将变压器、二次侧的全桥整流、滤波电容以及负载视为一个整体，这个整体我们称之为负载Ro。基于这样的简化，原先的电路可以进一步精简为以下形式。
假设MOSFET的开关频率为f，Lr和Cr的谐振频率为fr，而Lr、Lm和Cr三者的共同谐振频率为fLLC。基于这些频率关系，LLC电路将展现出三种不同的工作状态。
① 当LLC电路的工作频率小于Lr和Cr的谐振频率时，即f < fr，电路处于Lr和Cr的谐振状态，此时被称为LC谐振。在这种状态下，一次侧的MOSFET能够实现软开通，然而，二次侧的二极管却工作在连续导通模式（CCM），无法实现软开通。
② 当LLC电路的工作频率等于Lr、Lm和Cr三者的共同谐振频率时，即f = fLLC，电路进入LLC谐振状态。此时，一次侧和二次侧的器件均能实现软开通。
③ 当LLC电路的工作频率大于Lr、Lm、Cr的谐振频率时，即f > fLLC，一次侧的MOSFET将进入容性领域工作，即电路的容抗大于感抗，电压滞后电流。在这种情况下，MOSFET实现的是ZCS（零电流关断），相较于ZVS（零电压开通），其开通损耗会显著增加。
需要注意的是，LLC电路中的ZVS软开通仅针对MOSFET的导通过程，而在MOSFET关断时，由于寄生电容的存在，其硬开损耗相对较小。本文将主要探讨状态②下的LLC电路工作原理。在深入探讨之前，我们首先来简要了解一下软开通的概念。
2、软开 (soft switching)
在MOSFET的开关过程中，会产生开关损耗，这种损耗在硬开（hard switching）时尤为明显。为了降低这种损耗，我们会在开关MOSFET时，尽可能地保证电压或电流其中一方为零，从而实现软开。当电压为零时的软开被称为ZVS（Zero-voltage switching），而电流为零时的软开则被称为ZCS（Zero-current switching）。虽然软开能显著减少损耗，但并非完全没有损失。在理想情况下，软开能够实现电压和电流的瞬变，两者无重叠，损耗为零。然而，实际中由于多种因素，电压和电流无法完全瞬变，两者之间会出现重叠，从而产生一定的损耗。
2、LLC电路的工作原理
接下来，我们将详细阐述LLC电路在一个周期内的工作原理，以及它如何实现软开关的。该电路包含四个MOSFET，分别标记为Q1至Q4，同时，它们的寄生二极管和寄生电容分别用D1至D4、C1至C4表示。在图中，红实线代表负载电流，即进行电力变换的电流，而蓝虚线则表示励磁电流，也就是用于产生磁场的电流。
在Mode ①阶段，Q1和Q4处于导通状态，而Q2和Q3则处于关断状态。此时，负载电流会沿着电源→Q1→Lr→Ro→Cr→Q4→电源的路径流动，同时，励磁电流则会经过电源→Q1→Lr→Lm→Cr→Q4→电源的路径。在此过程中，Cr会进行充电。当Lr和Cr的谐振周期结束后，将进入Mode ②。
需要注意的是，为了简化说明，此处所展示的Mode ①并不代表完整的Mode ①。实际上，它省略了励磁电流的负半周期。若要了解完整的Mode ①细节，请参考Mode ⑤，这两者本质上是一致的，只是电流方向相反而已。
Mode ②：谐振结束，Q1/Q4导通，Q2/Q3关断。在Lr和Cr的谐振周期结束后，负载电流降至零，此时电路中仅存在励磁电流。随后，当Q1和Q4关断时，电路将进入Mode ③。值得注意的是，在这一阶段会产生关断损失，但得益于Vds1和Vds4的缓慢上升（这是由于C1和C4开始充电，详细情况请参考Mode ③），这种关断损失相对较小。
Mode ③：Q1/Q4关断，Q2/Q3亦关断，引入死区时间。为了避免Q1/Q3与Q2/Q4同时导通，导致LLC电路短路并可能烧坏MOSFET，在切换电路时会有意地设置一个短暂的延迟，即死区时间。在此期间，四个MOSFET均处于关断状态。与此同时，C1和C4开始充电，使得Vds1和Vds4逐渐升高；而C2和C3则开始放电，导致Vds2和Vds3下降。一旦四个电容的充放电过程完成，电路将进入Mode ④。
Mode ④：Q1/Q4关断，Q2/Q3亦关断，死区时间结束，电容充放电完毕。在C1至C4的充放电过程完成后，Vds1和Vds4将上升至电源电压，而Vds2和Vds3则降至0V。此时，由于励磁电感的作用，励磁电流并不会立即降为0。在电路中，仅有励磁电流存在，其循环路径为Lm→Cr→D2→电源→D3→Lr→Lm。一旦Q2/Q3导通，电路将进入Mode ⑤。在Q2/Q3导通的状态下，Vds2/Vds3均为0V，从而实现零电压开关（ZVS），使得MOS管能够软开启。
Mode ⑤：Q1/Q4关断，Q2/Q3导通。当Q1和Q4关断，而Q2和Q3导通时，LLC转换器便进入了后半周期。这个后半周期与前半周期相似，只是电流的方向相反。此时，负载电流的路径为：电源→Q2→Cr→Ro→Lr→Q3→电源。同时，励磁电流会先按照Mode ④中的路径，即Lm→Cr→D2→电源→D3→Lr→Lm，维持一段时间。当励磁电流降为0A后，其方向会发生变化，变为电源→Q2→Cr→Lm→Lr→Q3→电源。这个变化过程可以通过参考波形图来更好地理解。在此阶段，谐振电容Cr的电位与前半周期相反，因此Cr开始放电。当Lr和Cr的谐振过程结束时，电路将进入Mode ⑥。
Mode ⑥：谐振结束，Q1/Q4关断，Q2/Q3导通。在Lr和Cr的谐振过程结束后，负载电流降为0，此时电路中仅剩励磁电流。当Q2和Q3也关断时，电路将进入Mode ⑦。与Q1和Q4关断时相似，这一阶段同样会产生关断损失。但值得注意的是，由于Vds2和Vds3是逐渐上升的（此时C2和C3开始充电，详细情况请参考Mode ⑦），因此关断损失相对较小。
Mode ⑦：Q1/Q4关断，Q2/Q3也关断，进入死区时间。在Q2和Q3关断之后，电路再次进入死区时间。在此阶段，C2和C3开始充电，导致Vds2和Vds3逐渐升高。同时，C1和C4开始放电，使得Vds1和Vds4相应下降。这一系列电容的充放电过程，直至所有电容的充放电完成，标志着Mode ⑧的开始。
Mode ⑧：Q1/Q4关断，Q2/Q3也关断，进入死区时间，此时电容充放电已全部完成。在这一阶段，Vds2和Vds3逐渐升高至电源电压，而Vds1和Vds4则降至0V。值得注意的是，由于励磁电感的作用，励磁电流并不会立即降为零。因此，在电路中仅存在励磁电流，其流通路径为Lm→Lr→D1→电源→D4→Cr→Lm。当Q1和Q4重新导通时，电路将进入Mode ①。由于在Q1和Q4导通状态下，Vds1和Vds4均为0V，这实现了ZVS（零电压开关）条件，使得MOS管能够软启动。
至此，LLC电路的一个完整动作周期已经结束。
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