本周真像是要量产小文章啊……

今天接触了一下LLC谐振电路。LLC谐振电路中，主要分为半桥谐振和全桥谐振。而副边分为不可控整流和同步整流。全桥是指H桥，具有4个可控开关。半桥是只有H桥的一般，只有2个可控开关。同步整流主要是指，都用内置二极管的MOS管替代二极管。二极管普遍具有0.7V或者0.3V的标准导通压降，电流增大，导通压降也会随着增大。而MOS管，导通电阻是毫欧等级的，导通压降等于电流乘以导通电阻，很小。用同步整流的方式，可降低二极管损耗、提高电源转换效率。

1、半桥LLC谐振电路

半桥LLC谐振电路拓扑结构如下：

电路中，可控MOS管Q1和Q2串联，组成半桥。每个MOS管，都内置有方向并联二极管、同时在漏极和源极有一个等效电容（其实高频特性下，MOS管的每个引脚之间都有一个等效电容）。电容Cr和电感Lr、和变压器T1的原边电感Lm构成了一个LLC谐振电路。变压器T1的副边，经过二极管D1和二极管D2，整流后得到为负载供电。电容Cout主要起滤波作用。

谐振原理：

可得到

$V_o=\frac{L_mC_rs^{2}}{\left ( L_m+L_r \right )C_rs^{2}+1}V_i$

绘制出传递函数的波特图。

MATLAB中运行：


Lr = 20e-6;
Lm=20e-6;
Cr=0.1e-6;
y1= tf([Lm*Cr,0,0],[Cr*(Lr+Lm),0,1])
[MAG, PHASE,W] = bode(y1);
bode(y1)
grid on

可得到下面的波特图：

可见在谐振频率点处，LLC的增益达到了137dB。只有在谐振点附近，增益为正数。离谐振点较远的频率都有抑制作用。因次，控制半桥的可控管，LLC电路工作在谐振点，电路输出最有最大电压；若控制半桥的可控硅，让LLC电路工作频率远离谐振点，可让LLC输出的电压降低。

1.1 半桥LLC谐振电路的工作模态

设 $L_r$ 、 $L_m$ 、 $C_r$ 谐振的频率为 $f_m$ ，则 $f_m=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_r\left ( L_r+L_m \right )}}$

设 $L_r$ 和 $C_r$ 的谐振频率为 $f_r$ ，则 $f_m=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_r L_r )}}$

用PWM波控制LLC中的半桥，通常使用占空比为50%的PWM波。采用改变频率的方式，控制LLC的输出电压。

设开关频率为 $f_s$ 。LLC电路分为三种情况。第一种是 $f_m<f_s<f_r$ 。第二种是 $f_s=f_r$ ，第三种是 $f_s>f_r$ 。

以 $f_m<f_s<f_r$ 为例，介绍本电路的工作模态（找了几篇参考论文，都没把各种工作频率下的工作模态介绍完全）。

半桥LLC谐振电路的工作模态

工作模态1

工作模态2

工作模态3

工作模态4

工作模态5

1.2 电路仿真

在PSIM软件中对电路进行了仿真。

仿真步长Time step = 1e-7；仿真总时间total time = 0.1；

LLC中，Lr=20uH；Lm=20uH；Cr=0.1uF；负载侧滤波电容Cout=4700uF；负载电阻为120欧姆。

闭环控制比较难仿真，逻辑较复杂因此，先做开环控制的仿真。通过自行改变三角波的频率，观察输出电压的变化。

Fs=80K：

Fs=100KHz：

Fs = 112539Hz:

Fs=130KHz：

Fs=160KHz

仿真结果显示，三角载波由80KHz下降到160K，输出电压也呈现下降趋势。

2、全桥LLC

全桥LLC的拓扑结构如下：

和上面半桥LLC的区别是，谐振电路的输入端是一个H桥全桥电路。

2.1 全桥LLC的工作模态

全桥LLC电路同样分为三种情况。第一个频段是 $f_m<f_s<f_r$ 。第二个频段是 $f_s=f_r$ ，第三个频段是 $f_s>f_r$ 。详见参考文献[1]。

2.1.1 第一个频段 $f_m<f_s<f_r$ ：

主要器件的信号波形如下：

频段A内电路的工作模态

工作模态1：t0-t1	工作模态5：t4-t5

工作模态2：t1-t2	工作模态6：t5-t6

工作模态3：t2-t3	工作模态7：t6-t7

工作模态4：t3-t4	工作模态8：t7-t8