【我已收藏】很完整的LLC谐振半桥电路分析与计算
作者：王虹 www.yuediqu.com 2025-05-19
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在传统的开关电源设计中，磁性元件扮演着关键角色，用于实现滤波、能量存储及传输。然而，随着开关频率的提升，如何在保证电源小型化、轻量化和降低成本的同时，有效减少开关损耗成为迫切需要解决的问题。软开关技术应运而生，其目标是使开关在电压和电流同时为零时实现关断和开通，以期实现零损耗。为了达成这一目标，谐振技术被广泛应用。
二、LLC串联谐振电路
LLC谐振电路是基于电感电容串联或并联构成的谐振电路，旨在通过正弦规律变化的电流或电压，实现开关在过零点时的软开关操作。其基本电路图展示了由Cr、Lr、Lm构成的谐振腔（Resonant tank），Cr的作用是隔直电容，同时平衡变压器磁通，避免饱和现象。这一电路具有多种优势，包括变频控制、固定占空比、死区时间的存在（允许Mosfet零电压开通）和Diode零电流关断，从而显著降低损耗。其高效率（可达92%以上）和较小的输出纹波，以及较好的电磁兼容性（EMI），都是其亮点。
在LLC电路中，方波的傅立叶展开揭示了其工作原理。在半桥控制电路中，Q1和Q2在每个周期内交替导通，形成50%的占空比。VA为方波，幅值等于Vin，其傅立叶级数展开表明了基波分量的存在。同样，谐振腔输出电压（即理想变压器输出）也为方波，其基波分量反映了电路的特性。
为了更深入理解LLC电路的工作机理，FHA（First harmonic approximation）电路模型被引入。该模型通过等效变换，将非线性电路简化，揭示了输入阻抗、输出阻抗与工作频率、品质因数、特征阻抗等参数之间的关系。电压增益M(fsw)的分析，结合λ参数的讨论，展示了电路性能的优化路径，以及工作频率、品质因数和负载对电路特性的影响。
对于电压增益M（fn，λ，Q)的分析，通过替换变量，得到一个关于fn、λ、Q的函数，进一步阐述了参数对电路性能的影响。通过曲线簇分析，可以直观理解不同条件下的电路响应特性。特别是对于Q值的选择，其对电路稳定性及性能的影响至关重要，需要综合考虑以确保电路在各种负载条件下都能实现软开关操作。
在ZVS约束条件下，Qmax的选择成为确保电路软开关性能的关键。通过选取适当的Qmax值，可以确保在感性和容性区域的工作区间内实现零电压开通，从而降低损耗并提高效率。这一过程需要考虑负载、输入电压、输出功率等因素，通过计算来确定最优的Qmax值。
此外，电路在过载和短路条件下的工作情况也需重点关注，以确保转换器的稳定性和可靠性。通过限制最小工作频率，可以避免转换器进入容性工作区域，从而防止设备故障。同时，需要设计适当的限流电路等附加手段来处理短路或过载情况，以保障设备安全运行。
最后，磁集成技术的应用使得LLC谐振半桥电路在设计上更加灵活和高效。通过将电感和变压器集成到单一磁性设备中，不仅简化了电路结构，而且优化了磁路设计。基于FHA分析的电路设计流程提供了APR（All-Primary-Referred）模型的参数计算方法，使得实际应用中的变压器设计更加精确和高效。
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二、LLC串联谐振电路
LLC谐振电路是基于电感电容串联或并联构成的谐振电路，旨在通过正弦规律变化的电流或电压，实现开关在过零点时的软开关操作。其基本电路图展示了由Cr、Lr、Lm构成的谐振腔（Resonant tank），Cr的作用是隔直电容，同时平衡变压器磁通，避免饱和现象。这一电路具有多种优势，包括变频控制、固定占空比、死区时间的存在（允许Mosfet零电压开通）和Diode零电流关断，从而显著降低损耗。其高效率（可达92%以上）和较小的输出纹波，以及较好的电磁兼容性（EMI），都是其亮点。
在LLC电路中，方波的傅立叶展开揭示了其工作原理。在半桥控制电路中，Q1和Q2在每个周期内交替导通，形成50%的占空比。VA为方波，幅值等于Vin，其傅立叶级数展开表明了基波分量的存在。同样，谐振腔输出电压（即理想变压器输出）也为方波，其基波分量反映了电路的特性。
为了更深入理解LLC电路的工作机理，FHA（First harmonic approximation）电路模型被引入。该模型通过等效变换，将非线性电路简化，揭示了输入阻抗、输出阻抗与工作频率、品质因数、特征阻抗等参数之间的关系。电压增益M(fsw)的分析，结合λ参数的讨论，展示了电路性能的优化路径，以及工作频率、品质因数和负载对电路特性的影响。
对于电压增益M（fn，λ，Q)的分析，通过替换变量，得到一个关于fn、λ、Q的函数，进一步阐述了参数对电路性能的影响。通过曲线簇分析，可以直观理解不同条件下的电路响应特性。特别是对于Q值的选择，其对电路稳定性及性能的影响至关重要，需要综合考虑以确保电路在各种负载条件下都能实现软开关操作。
在ZVS约束条件下，Qmax的选择成为确保电路软开关性能的关键。通过选取适当的Qmax值，可以确保在感性和容性区域的工作区间内实现零电压开通，从而降低损耗并提高效率。这一过程需要考虑负载、输入电压、输出功率等因素，通过计算来确定最优的Qmax值。
此外，电路在过载和短路条件下的工作情况也需重点关注，以确保转换器的稳定性和可靠性。通过限制最小工作频率，可以避免转换器进入容性工作区域，从而防止设备故障。同时，需要设计适当的限流电路等附加手段来处理短路或过载情况，以保障设备安全运行。
最后，磁集成技术的应用使得LLC谐振半桥电路在设计上更加灵活和高效。通过将电感和变压器集成到单一磁性设备中，不仅简化了电路结构，而且优化了磁路设计。基于FHA分析的电路设计流程提供了APR（All-Primary-Referred）模型的参数计算方法，使得实际应用中的变压器设计更加精确和高效。
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