【我已收藏】很完整的LLC谐振半桥电路分析与计算

Question

如题所述

Answer 1

在现代开关电源设计的追求中，磁性元件的传统滤波方式正逐渐被软开关技术所取代。其中，LLC谐振半桥电路以其独特优势脱颖而出。它巧妙地利用电感与电容的串联，实现了电流和电压的正弦波变化，显著降低了开关器件在零电压和电流时刻的损耗，即ZVS和ZCS技术。LLC电路的核心特性包括变频控制、固定的50%占空比、高效能和低输出电压波动，为小型化设计带来了革命性的突破。

深入剖析其工作原理，LLC电路通过傅立叶分析，我们可以看到电压增益M受到频率fn、品质因数Q以及电路参数λ的影响。调整fn，可以实现对输出电压的精确控制。然而，宽负载输入可能会限制工作频率范围，此时，PFC电路通常在大功率场景中发挥作用，以处理输入电压的波动，而LLC电路自身对电压波动的适应性则相对较优。

在电路设计中，Mmin和fmax的选择至关重要，它们分别对应着最大增益和最小归一化频率的要求。λ的存在会改变增益曲线的形状，空载频率上升，M∞减小，但增益却可能有所提升。归一化阻抗Zn的分析中，λ=0.2的曲线簇交点fn.cross决定着输入阻抗随负载变化的关键转折点。

输出功率和效率受fn和阻抗特性的影响显著，通过计算感性/容性工作区的临界频率fz，我们可以确定电路的工作区域，Mz (fn, λ)决定着最大增益在容性负载下的表现。为了实现软开关，ZVS的约束条件包括感性区域的必要条件以及考虑死区时间TD和Czvs的影响，而充分条件则取决于Izvs以确保电荷消耗满足ZVS开通。

在保证输入阻抗非零相位，避免ZVS限制的情况下，我们计算出Qmax，以最大化输出功率并适应最小输入电压。空载条件下的Qzvs2需满足ZVS充分条件，而满载时则需增加Qzvs2的限制，同时空载状态下Q值为零。

负载过载和短路时，工作频率必须高于谐振频率，以限制功率传输，必要时还需采取限流措施以防止电路进入容性区域。LLC电路在磁集成设计中展现了极大的潜力，尤其是在考虑变压器漏电感的APR模型分析中，物理模型与等效模型间的参数转换是设计过程中不可或缺的一环。

APR模型的简化设计步骤涉及关键参数的选择，如输入电压范围（Vdc.Min-Vdc.max）、正常工作电压（Vdc.nom）、输出电压（Vout）、谐振频率（fr）和工作频率范围。首先，我们需要确定圈比、电压增益、Czvs和死区时间TD。然后，遵循自动调节的原则，确保工作在ZVS区域。最后，通过一系列计算，包括变压器参数、频率、负载阻抗、Q值以及元件值（Lr, Lm, Cr）的确定，我们完成了LLC谐振半桥电路的全面设计。