LLC谐振半桥电路分析与设计

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1、LLC谐振半桥电路分析与设计一、简介在传统的开关电源中，通常采用磁性元件实现滤波，能量储存和传输。开关器件的工作频率越高，磁性元件的尺寸就可以越小，电源装置的小型化、轻量化和低成本化就越容易实现。但是，开关频率提高会相应的提升开关器件的开关损耗，因此软开关技术应运而生。要实现理想的软开关，最好的情况是使开关在电压和电流同时为零时关断和开通(ZVS，ZCS)，这样损耗才会真正为零。要实现这个目标，必须采用谐振技术。二、LLC串联谐振电路根据电路原理，电感电容串联或并联可以构成谐振电路，使得在电源为直流电源时，电路中得电流按照正弦规律变化。由于电流或电压按正弦规律变化，存在过零点，如果此时开关

2、器件开通或关断，产生的损耗就为零。下边就分析目前所使用的LLC谐振半桥电路。基本电路如下图所示：A图2.1LLC谐振半桥电路其中Cr，Lr，Lm构成谐振腔（Resonanttank），即所谓的LLC，Cr起隔直电容的作用，同时平衡变压器磁通，防止饱和。2.1LLC电路特征（1）变频控制（2）固定占空比50％（3）在开关管轮替导通之间存在死区时间（DeadTime），因此Mosfet可以零电压开通（ZVS）,二次侧Diode可以零点流关断，因此二极管恢复损耗很小（4）高效率，可以达到92％+（5）较小的输出涟波，较好的EMI2.2方波的傅立叶展开对于图2.1的半桥控制电路，Q1,Q2在一个周

3、期内交替导通，即占空比为50％。所以VA为方波，幅值等于Vin，其傅立叶级数展开为公式1其基波分量为公式2其中fsw为开关频率，Vi.FHA（t）为谐振腔输入方波电压的基波分量。相应地，谐振腔输出电压（即理想变压器输出）也为方波公式3其基波分量为公式4其中为输出电压相对输入电压的相移，实际上为零。2.3FHA电路模型将图2.1所示电路的非线性电路做等效变换，可以得到下图：图2.2FHA谐振电路双端口模型FHA（Firstharmonicapproximation）：一次谐波近似原理。该原理是假设能量的传输只与谐振回路中电压和电流傅立叶表达式中的基波分量有关，因此，如果忽略开关频率的影响，则

4、谐振腔被正弦输入电流Irt激励，其表达式为：公式5其中为输入电流相对输入电压的相移。相应地，谐振腔输出电流irect为公式6由于Vo.FHA（t）与irect（t）同相位，所以谐振电路的输出阻抗为公式7其中Rout为负载阻抗，该阻抗折算到变压器原边的反射阻抗Rac为公式8所以，谐振腔的输入阻抗Zin（s）为公式9变压器增益传递函数H(S)为公式10电压增益M(fsw)为公式112.4电压增益M（fn，λ，Q)分析对电压增益M（fsw）表达式中的变量进行替换，得到关于fn，λ，Q三个参量的函数，新的表达式为公式12式中参数定义如下：谐振频率（Lr与Cr谐振）公式13特征阻抗公式14品质因数公

5、式15Lr与Lm电感值比公式16归一化频率公式17作出λ=0.2时M（fn，λ，Q)曲线簇如下图：（横轴为fn，纵轴为M）图2.3LLC电压增益曲线其中红色曲线为空载时（Q=0）的电压增益曲线MOL，随着fn趋向于无穷，MOL逐渐趋向于M∞。公式从图中可以看到，对于不同的Q值曲线，都会经过Load－independentpoint（fr，unitygain），且该点所有曲线的切线斜率-2λ。很幸运，load－independentpoint出现在电压增益特征曲线的感性区域，这里谐振腔电流滞后于输入电压方波（这个是ZVS的必要条件）。通过改变输入谐振回路的方波电压频率可以稳定转换器的输出电压

6、：由于工作区域为电压增益特性的感性部分，所以，当输出功率减小或者输入电压增加时，通过提高工作频率来稳定输出电压。考虑到这个问题，如果转换器工作点与load-independentpoint很接近，那么输出电压的稳定将会与宽负载变化相逆，相应地开关频率变化范围也会很小。明显地，输入电压范围越宽，则工作频率范围也会相应地变的更宽，因此，很难对电路进行优化设计。这也是目前所有的谐振拓扑结构中普遍存在的缺点。一般来说，大功率场合一般都有一级PFC电路。对于宽电压输入（85Vac～264Vac），经过PFC之后都会升压到400V，且变化范围不大（10％～15％）。所以对于前端有PFC的LLC电路来讲

7、，LLC输入电压的波动很小，因此上述问题不是很严重。工作电压变化范围是：最小工作电压由PFCpre-regulator持续能力决定（hold－upcapability）duringmainsdips；最大工作电压由OVP线路的门限值决定。因此，当输入电压在正常值时，谐振转换器可以在load-independentpoint优化设计，而最小输入电压duringmainsdips交给谐振腔自身的提升能力处理。（比如工作点低于