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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，能量储存与传输。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、轻量化与低成本化就越容易实现。但就是，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，最好的情况就是使开关在电压与电流同时为零时关断与开通(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：Inputsource(ihtrolkdRcsonontIdeal(LtKintrulkd(Low-passLoadl1-.L,.A；：.1iiiI图2、1LLC谐振半桥电路Ia其中Cr,Lr,Lm构成谐振腔(2、1 LLC电路特征(1)变频控带,(2)固定鹏和+0$(3)在开关管k替卜率HELf-bHd 拜 Dnn(n2niswt)n=1.3.5.公式i其基波分量为2FH泗=VJcsin(2n13Wt)公式2其中fSW为开关频率，Vi、FHA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(
3、即理想变压器输出)也为方波=谓讥乏-sn(n2rtfswt-T)n=1t3t5其基波分量为4,VHT=彳声旃(2叭/-初其中中为输出电压相对输入电压的相移，实际上为零。2、3FHA电路模型公式3公式4controlledswitchde (workrccnikr &low-passfiller将图2、1所示电路的非线性电路做等效变换，可以得到下图公式5公式6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jcrcsonunilank图2、2FHA谐振电路双端口模型FHA(Firstharmonicapproximation):一次谐波近似原理。该原理就是假设能量的传输只与谐振回
4、路中电压与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，则谐振腔被正弦输入电流Irt激励，其表达式为w=75lrtsin(2rtfswt-M总二MqldneTvdcmaxI+儿公式18公式19此时最大归一化频率为公式202、4、1Mmax与fmin的选取当输入电压Vdc最小，输出负载最大时，电压最小增益Mmax=2n此时最小归一化频率为公式21=11孙nIAH+11“NMg引公式22关于入的分析，入增加相应的变化为(1)M-fn平面上的增益曲线向着谐振频率fnr收缩,这同时意味着空载谐振频率fno增加;(2)空载增益特性渐近线M8逐渐减小每一条增益曲线的最大增益增加。2、4归
5、一化阻抗Zn（fn,入，Q）分析作出入二0、2时Zn（fn,入，Q）曲线簇如下图公式23（横轴为fn,纵轴为Zn）为渐近线，且不同Q值的曲线相交于一点，该点的归一化频率fn、cross:TT2X公式24当工作频率大于交叉频率fcross时,输入阻抗随输出电流的增大而减小，当工作频率小于交叉频率时，输入阻抗随输出电流的增大而增大。输出阻抗一直减小。根据fn可以将整个图分为三个区间fnfnr感性工作区fnofn +222 2Q - 乂1十人 +4Q入2Q2公式28其中fnz只与固定的入一Q相关，此时输入谐振腔阻抗只有实部（从电源只吸收有用功）。同时，可以得到最大品质因数maxMmaxMfnaxMm
6、ax2-1公式30最大品质因数 Qmax:当小于Qmax时,对于相同的fn 入时，谐振腔阻抗呈感性，因此，最大的电压增益MmaxQ）=。），Q j将Qz（fn,入）带入M（fn,入，Q）中,得到如Mz （fn,入）的表达式九山”公式31公式32因此，在fnr与fno之间的部分可以画出 Mz （fn,入）以确定感性与容性的分界线borderline,如下图,从图中还可以瞧到，对于单一 Q值曲线来讲，最大的增益点总就是落在容性区域公式29NUHS 工-tiEJEqQ UI&E4OAfor0.3口 20 1io1nonnalizedfrequencyfh三、ZVS约束条件（Qmax的选择）3、1概述
7、假设工作在感性区域只就是半桥MOSFETZVS的必要条件（necessarycondition）,并不就是充分条件（sufficientcondition）,因为半桥中点的并联电容（在FHA分析中被忽略）在转换过程中需要充电（charged）与消耗（depleted）。为了了解ZVS的工作情况，参照下图vdcQQi. IResonant Tank& Load其中存在两个电容，分别为POWERMOSFET的等效漏源极电容（输出电容）Coss与谐振腔阻抗杂散（stray）电容Cstray,因此节点N处的总电容Czvs为2VS=2COSS + Cstray公式33转换过程如下图3、2ZVS充分条件为了达到ZVS,在两个MOSFET轮换开通之间存在死区时间Td。由于工作在感性区域，因此输入电流滞后于输入电压，当半周期结束时，谐振腔白电流Irt仍然在流入，这个电流可以消
