LLC谐振变换器详解——谐振变换器衍变

时间： 2024-11-20 来源：瑶芯微电子公众号

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由于串并联变换器（LCC结构），在宽输入电压范围时，会出现高循环能量和高开关损耗。为了让其全过程工作在ZVS模式，通过改变LCC谐振腔，将其变为双谐振网络，如图1所示，将其C更改为L，可以构建LLC谐振变换器。

这两个变换器的直流特性如图2所示。LLC变换器的直流特性类似于LCC谐振变换器直流特性的左右翻转，同样也有两个谐振频率。在这种情况下，Lr和Cr确定较高的谐振频率。较低的谐振频率由Lm和Lr的串联电感决定。LLC更高的谐振频率在ZVS区域，这意味着变换器可以设计在该频率附近工作，这正是高频率、高效率变换器所追求的谐振腔。

半桥LLC谐振变换器

如图3是一个半桥LLC谐振拓扑结构，半桥开关是由MOSFET Q1和Q2组成的，Ds1和Ds2为MOSFET寄生的体二极管，Cds1和Cds2为其寄生电容。其中Lr、Lm和Cr构成LLC谐振腔。Cr一方面储存能量，为下管开通传递能量至副边做准备。另外还起隔直电容的作用，同时平衡变压器磁通，防止饱和。

半桥LLC拓扑图分析-方波发生器

Vcc的前面通常是PFC电路输出加电解电容平滑输出电压，因此是一个直流电压。

需要一个方波发生器来切换产生变化的电压。方波发生器Q1、Q2开关管占空比均为50%，输出一个方波电压，如图3所示AO。上管开通时A点的电压为Vcc，上管关断，下管开通时A点与GND连接，电压为0V。

半桥LLC 拓扑图分析--谐振腔

谐振腔Lr是谐振电感，Lr可以利用变压器的漏感（集成变压器），也可以使用独立的电感（分立变压器）。集成变压器具有结构紧凑，占用体积小等优点，但是其效率没有分立的高，且由于制造工艺的差异，集成变压器漏感的差异也较大，难以精准把控。Cr是谐振电容，谐振电容是与Lr一起起到谐振作用的需要用专业的变压器骨架来绕制的Lm是变压器原边电感，也叫励磁电感。Cr是谐振电容，谐振电容Cr是与Lr一起起到谐振作用的。通过控制开关频率来实现输出电压的恒定，并通过软开关技术降低开关损耗，提高效率。

半桥LLC 拓扑图分析—理想变压器

理想变压器可实现电感、变压器和隔离的功能，通常为了便于电路分析，把励磁电感与理想变压器分开出来（实际上电感Lm是变压器原边电感）。理想变压器可以通过改变匝比来改变输出的电压，将输入电压转变成最终想要的输出电压，起到传输能量的作用。

半桥LLC 拓扑图分析—整流滤波

对于高频变压器，其输入和输出都为交流量。其输入、输出为一个正负方波的交流电压，为了得到一个输出稳定的电压，就必须需要整流滤波电路。

变压器输出端的整流电路通常有两种，分别是全波整流和全桥整流，全波整流由两个二极管组成，在变压器副边绕组中间有一个中心抽头作为两个二极管共同的输出（地）。全桥整流器是由四个二极管以一对共阳的方式组成的桥式结构，全桥整流电路变压器副边不要中心抽头，但是需增加两个整流二极管。

半桥LLC 拓扑分析—等效电路模型

为了方便分析，通常把输出的电压与电流折算到原边。图4为LLC拓扑等效电路模型，也即把前面的方波发生器看成一个简单的方波电源，把变压器去掉，仅保留其电感，通过简单的折算关系将变换器后半部分等效成一个电阻Ro。其等效电阻的表达式可以通过变压器输出电压和电流的关系推导出来‌。

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