半桥LLC谐振电路的工作原理与模态分析

前言：本文参考半桥LLC谐振转换器工作原理并结合自己想法整理而成，本人在查找一些AC-DC开关电源方面的知识时，没有在国内网站找到很详细的介绍半全桥的拓扑以及工作原理介绍，于是打算自己在学习过程中自己写一篇比较详细的介绍做参考。作为一个初学AC-DC电源的工程师，在整理和学习的过程中难免有一些疏忽和错误，如发现问题，欢迎大家在评论区指出和讨论。

1、半桥LLC拓扑

如图是半桥LLC谐振拓扑结构原理图，Vin为直流电（由AC电压整流而来），Q1,Q2组成半桥网络（Q1,Q2内的寄生电容假设为C1,C2），Lr、Cr分别为谐振电感、谐振电容，Lm为励磁电感。Np，NS1，NS2为变压器原副边，D1、D2为整流二极管，Cout为输出电容。

2、半桥LLC电路工作模态

模态1：Q1开通，Q2关断，原边通过Q1、LLC形成回路，副边通过D1供能，副边电流逐渐增加，此时Lm储存能量。

模态2：当副边电路逐渐增大达到峰值，Np不在有电流流过，此时Load由NS1以及Cout供能。原边继续为Lm，Cr储能。

模态3：Q1，Q2均关断，励磁电流会继续通过MOS管的寄生电容形成回路，如下图所示，对C1电容充电，C2电容放电（将Q2两端电压降为0，为ZVS导通创造条件）。副边无变化。

模态4：当对C1、C2充放电完成后，励磁电流将继续通过Q2寄生二极管形成回路，直至Q2导通。

模态5：Q2导通，Q1关闭，Lm上的能量（储存的磁能转化为电能）形成两条回路，副边D2导通，为负载供电，电流逐渐增大。

模态6：励磁电感Lm电流逐渐减小（副边电流随之减小至0），当Np电流大于Lm电流时，电流将反向为C1放电，C2充电（为Q1的ZVS开关创造条件）。

模态7：C1,C2充放电完成后，电流将通过Q1寄生二极管形成回路。 

模态8：此时重新回到Q1导通，Q2关闭的状态，半桥LLC谐振的工作状态走完一个周期。

3、半桥LLC谐振的工作原理

半桥即两个由controller（IC）控制的MOS管，LLC及由Lr,Cr,Lm构成的谐振网络。半桥LLC主要的工作原理即为通过不断开关Q1,Q2为副边供能，LLC网络主要作用为在开关电源工作时谐振，实现ZVS（Zero Voltage Switch，零电压导通），提高电路的运行效率。

下面是从英飞凌（Infineon）设计手册上面截过来的，方便大家对设计LLC各项参数有一个全面的了解

通常工程师在设计LLC时，会把变压器的漏感设计为励磁电感即Lm，这样电路图就是看起来只有Lr和变压器Np。如onsemi的240W设计方案。

下图为LLC谐振时，工作频率（f）在谐振频率(f0)附近的变化。