LLC谐振电路设计.docx

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TI mvYc. t.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：r12兀.$L C1-1)1r1 _ 2^/tL + L ）C （1-2）r m r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：VgslVgs2Q2：Q2；D1Ids110 11 12 t3 id t5 t6图1-2LLC工作波形示意图图中，Vgsl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，Idl和Id2分别是次级侧输出整流二级管波形， Ids 1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） TO〜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:Q 1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 -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~T 1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：jwL n 2 ZnV厂加2m o—1-3)jwL + n 2 Z1 jwL n 2 Z+ jwL + 」jwC m jwL + n 2 Zr m o；第一谐振频率1?= 戸=午；第二谐振频率 r2 2n ;（L + L）C'' m r r谐振电感与变压器漏感之比，简称电感比=-^sw ； n f r1开关频率与第一谐振频率之比，简称频率比ZPQ二佇卄；品质因数 nV 22 out■ TZ = 宀=2兀• f • L = ；输出特征阻抗o \ C r r 2兀• f • Cr r rN n = -p ；初级侧与次级侧变压器匝数比，简称匝数比Ns 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：1-4 )2nV oVin由以上定义，对公式1-3进行简化，得M （f ,九,Q ）=n（fl+九-1-5）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，人趋于无穷大时，亦目对于人可以忽略不计，则1-5）。