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在《》中，我们介绍了和 ZVS 相关的内容。今天，我们继续分享三电平半桥 LLC 的控制模型与仿真。
有些应用场合母线电压高达 800V，如果使用全桥拓扑，需要 1000V 耐压的管子。而这些超高耐压的 MOSFET 价格和性能都不如 500V 耐压的管子好（性价比），所以三电平技术应运而生了。使用两个二极管和两个电容，将管子上的电压钳位到 VIN/2（800/2=400），然后就能使用 500V 耐压的 MOS。所以，三电平技术在高压应用领域是非常必要的。而 LLC 谐振拓扑，能实现原边 ZVS，副边 ZCS；双软开关能带来高效率和低噪音，同样也是非常优秀的性能。如果，将两者的优势结合起来，就皆大欢喜了。下面是就针对这个拓扑的控制模型和仿真。 1 首先是三电平半桥的结构图。每个 MOSFET 内部都有体二极管，这里只是为了更加便于读图，所以又在图中并了一个二极管。 假设两个电容串联，其中间点的电压为稳定的 VIN/2。那么其工作可以这样去看：当 M1 和 M2 同时导通时，电流从中间点 AAA 流到电容半桥中点，其输出电压为 VIN/2。当 M1 关断后，钳位二极管 D5 导通，将 M1 两端电压钳位在 VIN/2 处。然后 M2 关断，假设是硬开关，那么电路中存在的寄生参数会将 M2 的 VDS 电压提升到高于 VIN/2。对于 M3 和 M4 来说，其道理一致。必须要让 M4 先关闭，使 D6 为 M4 两端钳位到 VIN/2。然后 M3 关闭，M3 两端电压可能高于 VIN/2。也就是说，加了两个钳位二极管，只能控制 M1 和 M4 的电压应力。而 M2 和 M3，则控制不了。而且，M1 和 M4 是先于 M2 和 M3 关闭，否则就不能实现电压钳位了。当然还有飞跨电容的接法，这里就先不谈及。
下图是三电平 LLC 的主功率结构图，变压器的输入电压为 VIN/2，计算谐振参数和匝比等同于一个400V 输入的 LLC 算法。图纸的参数是一个谐振频率53.5V//60A 的参数，下面将对其进行仿真。 图1 三电平半桥 LLC 功率级 先是一个启机上电波形： 图2 启机波形 2 然后是展开细节： ❖V（M3：D) 是 M3 的漏极对 GND 的电压 ❖V（MOS_HALF_B) 是低端 MOS 的半桥中点电压 ❖V（MOS_HALF_A) 是高端 MOS 的半桥中点电压 ❖V（MASTER_A) 是高端 MOS 的主驱动，亦为 M1 的驱动。此驱动要先于 M2 的关闭。 ❖V（SLAVE_A) 是高端 MOS 的从驱动，亦为 M2 的驱动 ❖V（MASTER_B) 是低端 MOS 的主驱动，亦为 M4 的驱动。此驱动要先于 M3的关闭。 ❖V（SLAVE_B) 是低端 MOS 的从驱动，亦为 M3 的驱动 图3 启机波形 第一部分 ：基本工作流程 从波形中可以看到，高低端管子的中间电压被很好的钳位。原边四个管子都实现了 ZVS，也钳位了两端耐压。设有这么一个工作状况，当 M1 的驱动（MASTER_A）关闭后，此时 M2 还处于开通状态。同时谐振电流保持方向不变，电流将从 D1>M2>谐振电感流动。此时高低端管子的中间 (M3：D) 的电压被钳位到400V。由上图，可以看到在 (M3) 电压波形在 M2 管子驱动信号（SLAVE_A）还未关闭时，电压被钳位到 400V。 然后，M2 管子（SLAVE_A）关闭。谐振电流的方向不发生改变。谐振电感将会带走 M2、M3、M4 三个管子的 Coss 电容的电荷，所以可以看到当 M2 关闭后，高低端管子的中间（M3 _D）的电压从400V 被拉到0V。M2 关闭到低端管（MASTER_B 和 SLAVE_B）的开通这段死区时间内，为 M3 和 M4 的 ZVS 工作区域。死区时间可以根据励磁电流和管子的 Coss 来选择。在此时间内，谐振电流会经过 M3 和 M4 的体二极管，从 GND 拉电流。然后谐振电流的方向会换向。 低端管 M3 和 M4 由于谐振电流的关系，从体二极管流过电流，保证了 ZVS 开通条件。死区时间结束后，M3 和 M4 同时开通，谐振电流换向。此时电流从主分压电容中点（CAP_HB）流入变压器，然后从谐振电感经过 M3 和 M4 返回电容的负 (GND）。 当 M3 和 M4 的开通时间结束后，M4 会先于 M3 关闭。M4 关闭后，D2 和其体二极管会将 M4 两端电压钳位到 VIN/2。同时由于谐振电流方向不变，会经过 M3 和 D2 流入电容中点（CAP_HB）。D2 会在 M4 关闭到 M3 关闭这段延迟内，流过电流。高端管的钳位二极管 D1 工作原理与 D2 一致，下图是流过钳位二极管的电流。 图4 钳位二极管电流与驱动信号 M4 关闭后，高低端管的中间点（MOS_Half）将会被钳位到 400V。然后随着低端管的开通时间结束 M3 也关闭，谐振电流将对高低端管的中间点（MOS_Half）充电，将 M2，M1，M3 的 Coss 电容充电。当电压高于 VIN/2 时，M2和 M1的体二极管导通。为谐振电流提供路径，从 M3 关闭到 M2 和 M1 开通这段时间，就是为高端管实现 ZVS 的工作时间，通过调整管子的 Coss 电容和励磁电感可以在额定死区时间实现 ZVS。然后，M1 和 M2 同时开了，谐振电流换向，写到这里一个工作周期也就讲完了。 几个重点 ① 钳位二极管会在主从管的关闭延迟内流过电流。 ② 必须要确定 M1 和 M4 比 M3 和 M2 先关闭，如果不能钳住电压，后果可能就会炸机。 ③ ZVS 需要的条件（励磁电感、死区时间）和普通 LLC 的原理一致。 ④ 变压器的匝比可以按 VIN/2 作为变压器的原边输入电压计算。 第二部分 仿真建模过程 首先必须要确保两组开关信号之间的死区时间，然后还要确保主驱动和从驱动之间的延时。当主驱动信号关闭后，从驱动信号需要延迟一个可控的时间后关闭。确保能让 D1 和 D2 可靠的钳住管子上的电压应力。对于高低端驱动信号之间的死区时间，我早已在普通 LLC 的控制模型中完成，那么这里需要实现的就是：如何让主驱动比从驱动先关闭，延迟大约 300ns 后，从驱动也要关闭。要实现的波形可见下图： 图5 主从驱动信号的时序 如何实现呢？ 首先将 LLC 控制器发出的方波插入死区时间，得到 DRV_H_SIDE 和 DRV_L_SIDE，两者死区时间为 600ns。然后用这两个信号分别产生主从驱动，驱动高低端管子。 图6 驱动信号的死区时间 将插入死区时间后的驱动信号分别送到延迟电路，得到主驱动和从驱动信号，其电路可见下图。其原理为：当主驱动关闭后，控制 S5 导通，让恒流源对定时电容充电，当电容上的电压高于设定值后，发出复位信号到 SR 触发器。SR 触发将当前输出拉低，这样就得到了主驱动和从驱动之间的延迟。 图7 驱动信号的死区时间 驱动电路完善后，就可以进行整体模型的仿真了，将控制电路封装到子电路模块，主电路简洁，明了，易于读图。 完整的控制模型为：
图8 完整模型 第三部分 模型性能测试 前面已经放出了普通上电波形，下面是 5A~65A 的动态响应测试：
▶仿真原理图：three_level_half_bridge_llc_tes.pdf ▶仿真原文件：THREE_LEVEL_HALF_BRIDGE_LLC_TEST_V1.zip
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