llc谐振电路工作原理及参数设计 LLC谐振电路图

LLC谐振电路是一种基于谐振振荡原理工作的电力转换电路，以其高效率、低电磁干扰和宽输入输出范围等特点，在电力电子领域得到了广泛应用。

一、LLC谐振电路工作原理

LLC谐振电路主要由开关电路、谐振电路以及整流电路三个部分组成。其工作原理可以概括为：通过控制开关管的开关时间和频率，使得谐振电路中的电感、电容和变压器之间产生谐振振荡，从而实现高效的能量转换。

1. 开关电路

开关电路通常由MOSFET等开关器件构成，负责控制电路的通断。在LLC谐振电路中，开关电路的工作状态对谐振电路的影响至关重要。

2. 谐振电路

谐振电路是LLC谐振电路的核心部分，由谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm组成。这些元件与变压器原边连接，形成谐振回路。当开关管导通时，输入电压通过主线圈和谐振电容形成谐振回路，谐振电流开始增加。随着谐振电流的增加，副线圈开始感应出电压，并通过输出整流电路转换为直流电压供给负载。当开关管关断时，谐振电流继续通过变压器的副线圈和谐振电容进行谐振，直到下一个开关周期开始。

3. 整流电路

整流电路通常由二极管等整流元件构成，负责将变压器输出的交流电压转换为直流电压，并驱动负载工作。

4. 工作模态

LLC谐振电路的工作模态可以根据开关频率和谐振频率的关系进行划分，主要包括欠谐振模式、准谐振模式和过谐振模式。在不同的工作模态下，电路的工作特性和效率会有所不同。

• 欠谐振模式 ：当开关频率小于第一谐振频率时，电路工作在欠谐振模式。此时，谐振电流和励磁电流的变化较为复杂，但电路仍然能够实现高效的能量转换。
• 准谐振模式 ：当开关频率等于谐振频率时，电路工作在准谐振模式。此时，电路具有最高的效率，是最佳工作点。
• 过谐振模式 ：当开关频率大于谐振频率时，电路工作在过谐振模式。此时，ZVS始终存在，但根据负载的不同，谐振电流会发生变化。
  LLC谐振电路简单高效，由于谐振腔的存在，不仅可以保证负载在大范围变化时一次侧开关管的 ZVS 导通，还可以实现二次侧开关管的 ZCS 关断，同时减轻了一二次侧开关管的电压应力。此外电路的电压增益随开关频率变化的特性，使得电路可以工作在BUCK/BOOST模式，而且在输入电压和负载大范围变化时都具有很好的电压调节特性，这些优势让 LLC电路一直是研究的热点。

传统的 LLC 谐振变换器输入端采用半桥结构，经二次侧带中心抽头的高频变压器与输出端相连,采用二极管整流实现直流输出。这种电路结构无法实现功率的双向流动，为解决这个问题，将全桥结构引入 LLC 谐振，形成双向全桥 LLC 谐振型 DC-DC 变换器如下图 所示。

双向全桥LLC 谐振型 DC-DC 变换器

双向全桥 CLLC 谐振型DC-DC 变换器在完全保留 LLC 谐振电路优点的基础上实现了功率的双向流动并且变换器正反向工作过程完全对称，近年来成为了双向变换器领域的研究热点，成果广泛应用于分布式发电并网系统。

二、LLC谐振电路参数设计

LLC谐振电路的参数设计对于电路的性能和效率具有重要影响。以下是一些关键参数的设计考虑：

1. 谐振频率

谐振频率是LLC谐振电路的重要参数之一，它决定了电路的工作频率范围。谐振频率的选择应根据具体应用需求来确定，一般在10kHz至1MHz之间。谐振频率的选择需要综合考虑电路的功率密度、开关损耗和电磁兼容性等因素。

2. 谐振电容和谐振电感

谐振电容Cr和谐振电感Lr是构成谐振回路的关键元件。它们的取值决定了谐振频率的大小和电路的谐振特性。在选择谐振电容和谐振电感时，需要根据电路的输入电压、电流和功率等参数进行计算和匹配。

3. 励磁电感

励磁电感Lm在LLC谐振电路中起着重要的作用。它不仅参与谐振过程，还影响电路的电压增益和负载能力。励磁电感的取值需要根据电路的负载需求和电压增益要求来确定。

4. 开关频率

开关频率是控制LLC谐振电路工作状态的重要参数。通过改变开关频率，可以调节谐振回路的阻抗和电流波形，从而控制变换器的输出功率。开关频率的选择应根据设计的功率和谐振频率来决定。高频率有助于提高功率密度，但也会增加开关损耗。

5. 触发角度

触发角度控制开关管的导通时间，决定了电路的输出功率。合适的触发角度可以减小开关管的开关损耗，提高电路的效率。触发角度的设计需要根据电路的具体需求和开关管的特性来确定。

6. 能量传输比

能量传输比是表征能量从输入到输出传输效率的重要参数。在设计LLC谐振电路时，需要考虑开关管和电容的损耗以及电感的耗能等因素，以确保能量传输比达到设计要求。

三、总结

LLC谐振电路通过合理的参数设计和控制策略，可以实现高效率、低电磁干扰和宽输入输出范围的电力转换。在实际应用中，设计者需要根据具体需求来确定谐振频率、谐振电容、谐振电感、励磁电感、开关频率和触发角度等参数，以确保电路的性能和效率满足要求。同时，还需要考虑电路的可靠性和稳定性等因素，以确保电路在各种工况下都能正常工作。