LLC谐振电路设计

LLC谐振电路设计

LLC半桥谐振电路中，根据这个谐振电容的不同联结方式，典型LLC谐振电路有两种连接方式，如图1-1所示。不同之处在于LLC谐振腔的连接，左图采用单谐振电容（Cr），其输入电流纹波和电流有效值较高，但布线简单，成本相对较低；右图采用分体谐振电容（C1，C2），其输入电流纹波和电流有效值较低，C1和C2上分别只流过一半的有效值电流，且电容量仅为左图单谐振电容的一半。

图1-1典型LLC谐振电路

LLC谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区。这种变换有两个谐振频率。一个是Lr和Cr的谐振点，另外一个谐振点由Lm，Cr以及负载条件决定。负载加重，谐振频率将会升高。这两个谐振点的计算公式如下：

fr1?1

2?LrCr（1-1）

fr1?1

2??Lr?Lm?Cr（1-2）

考虑到尽可能提高效率，设计电路时需把工作频率设定在fr1附近。其中，fr1为Cr，Lr串联谐振腔的谐振频率。当输入电压下降时，可以通过降低工作频率获得较大的增益。通过选择合适的谐振参数，可以让LLC谐振变换无论是负载变化或是输入电压变化都能工作在零电压工作区。

总体来说LLC半桥谐振电路的开关动作和半桥电路无异，但是由于谐振腔的加入，LLC半桥谐振电路中的上下MOSFET工作情况大不一样，它能实现MOSFET的零电压开通。其工作波形如图2所示：

图1-2LLC工作波形示意图

图中，Vgs1和Vgs2分别是Q1、Q2的驱动波形，Ir为谐振电感Lr电感电流波形，Im为变压器漏感Lm电流波形，Id1和Id2分别是次级侧输出整流二级管波形，Ids1则为Q1导通电流。

波形图根据不同工作状态被分成6个阶段，下面具体分析各个状态，LLC谐振电路工作情况：

1) T0~T1:Q1关断、Q2开通；这个时候谐振电感上的电流为负，方向流向Q2。

在此阶段，变压器漏感不参加谐振，Cr、Lr组成了谐振频率，输出能量来自于Cr和Lr。这个阶段随着Q2关断而结束。下图1-3为LLC半桥谐振电路在T0~T1工作阶段各个元器件工作状态。

2) T1~T2:Q1关断、Q2关断；此时为半桥电路死区时间，谐振电感上的电流仍

为负，谐振电流对Q1的输出电容（Coss）进行放电，并且对Q2的输出电容（Coss）进行充电，直到Q2的输出电容的电压等于输入电压（Vin），为Q1下次导统创造零电压开通的条件。由于Q1体二级管此是出于正向偏置，而Q2的体二级管示反相偏置，两个电感上的电流相等。输出电压比变压器二次侧电压高，D1、D2处于反偏状态，所以输出端与变压器脱离。此阶段,Lm和Lr、Cr一同参加谐振。随着Q1开通，T1~T2阶段结束。下图1-4为LLC半桥谐振电路在T1~T2工作阶段各个元器件工作状态。

3) T2~T3:Q1开通、Q2关断（一旦Q1的输出电容被放电放到零时）。此时谐振

电感上的电流仍旧为负，电流经Q1的体二级管流回输入端（Vin）。同时，输出整流二级管(D1)导通，为输出端提供能量。变压器漏感（Lm）在此阶段被持续充电。只有Lr和Cr参与谐振。一旦谐振电感Lr上的电流为零时，T2~T3阶段结束。下图1-5为LLC半桥谐振电路在T2~T3工作阶段各个元器件工作状态。

4) T3~T4:此阶段始于谐振电感Lr电流变负为正，Q1开通、Q2关断，和T2~T3

阶段一样。谐振电感电流开始从输入端经Q1流向地。变压器漏感Lm此时被此电流充电，因此参加谐振的器件只有Lr和Cr。输出端仍由D1来传输能量。随着Q1关断，T3~T4阶段结束。下图1-6为LLC半桥谐振电路在T3~T4工作阶段各个元器件工作状态。

5) T4~T5:Q1关断，Q2关断；此时为半桥电路死区时间。此时，谐振电感电流

对Q1的输出电容Coss进行充电，并对Q2的输出电容Coss进行放电直到Q2上输出电容电压为零，导通Q2的体二级管，为Q2零电压开通创造条件。在此期间，变压器二次侧跟T1~T2阶段一样，脱离初级侧。在死去时间，变压器漏感Lm参与谐振。此阶段随着Q2开通而结束。下图1-7为LLC半桥谐振电路在T4~T5工作阶段各个元器件工作状态。 6) T5~T6:Q1关断，Q2导通。由于T4~T5阶段中Q2的输出电容已经被放电至零，

因此T5~T6阶段Q2以零电压开通。能量由谐振电感Lr经Q2续流，输出端由D2提供能量。此时，Lm不参与Lr和Cr的谐振。此阶段随着谐振电感Lr电流变为零而结束，重复T0~T1状态。下图1-8为LLC半桥谐振电路在T5~T6工作阶段各个元器件工作状态。

图1-3T0~T1工作阶段

图1-4T1~T2工作阶段

图1-5T2~T3工作阶段

图1-6T3~T4工作阶段

图1-7T4~T5工作阶段

图1-8T5~T6工作阶段

由以上工作状态可以看出，除了Q1、Q2死区时间外，绝大多数时间，电路都可以工作在由Lr和Cr构成的较高的谐振频率。这种情况下，变压器漏电感由于被输出电压所钳位，因此，它会作为Lr，Cr串联谐振腔的负载形式存在，而不参与整个谐振过程。由于这个被动负载，LLC谐振变换轻载稳压可以不再需要很高频率。而且，由于这个被动Lm负载，可以保证在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下。

虽然理论上，LLC半桥谐振电路可以在全负载范围内实现零电压开通，但是还是要考虑谐振电路工作情况，比如增益、谐振频率。确保了LLC谐振电路工作在期望的区域，才能保证MOSFET实现零电压开通。为了更好的分析MOSFET ZVS条件与LLC谐振电路工作区域的关系，首先需要分析谐振电路输入阻抗，因此对LLC半桥谐振电路进行以下简化：

图1-9LLC半桥谐振电路简化电路

LLC半桥谐振等效电路输出输入传递函数如下：

jwLmn2ZonVojwLm?n2Zo ?2Vin1jwLmnZo?jwL?m2jwCrjwLm?n2Zo其中：fr1?1；第一谐振频率

2?LrCr（1-3）

fr2?1；第二谐振频率

2??Lm?Lr?Cr??Lr；谐振电感与变压器漏感之比，简称电感比 Lmfsw；开关频率与第一谐振频率之比，简称频率比 fr1fn?Q?ZoPout；品质因数 2n2VoutZo?NpNsLr1；输出特征阻抗 ?2??fr?Lr?Cr2??fr?Cr；初级侧与次级侧变压器匝数比，简称匝数比

n?由公式1-3左边部分进行变化，可以得出两倍匝数比与输出电压的乘积对输

入电压关于频率比、电感比和品质因数的传递函数为：

M?fn,?,Q??2nVo Vin（1-4）

由以上定义，对公式1-3进行简化，得

1 M?fn,?,Q??22??（1-5） ??1??1??-2??Q2??f??nf???fn??n??电路应尽量避免工作在容性区域（fsw接近fr2），因为电路工作在容性区域会引起环路不稳定。谐振腔的电流滞后于输入方波电压是LLC半桥谐振电路中MOSFET实现零电压开通的必要条件。

LLC谐振电路输出电压调整主要通过改变谐振腔输入方波开关频率。电路工作在电压增益曲线的感性工作区时，电路通过调整频率来调整输出电压，提高频率以响应输出功率降低的需求，或者通过提高输入直流电压来实现电路工作在轻载模式。基于这两点，如果LLC谐振电路可以工作在负载独立工作点附近，那么其输出电压可以在较宽负载变化范围且相对较窄的开关频率范围内实现调整。输入直流电压范围越宽，其开关频率范围也越宽，如果工作在这种情况下，LLC谐振电路将很难优化，这是LLC谐振电路的一个主要缺点。但是有前级PFC的LLC谐振电路可以工作在负载独立工作点上，因此这个缺点可以忽略。

LLC谐振电路无负载，fn趋于无穷大时，λ相对于fn可以忽略不计，则

M?fn,?,Q??11??-?fn2?1 1??（1-5）

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