LLC谐振变换器仿真分析与设计-电源网

LLC谐振变换器仿真分析与设计——24V/8A、100kHz、半桥开关电源调频控制器模型建立与测试。本文涉及文件均在附件中，请按提示下载，下载后请将PSpice仿真程序解压到英文目录下运行！

1、LLC谐振变换器工作原理分析

原始资料：AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).PDF

简介：不断提高的开关电源功率密度受到无源器件尺寸限制，当其工作于较高频率时无源器件的尺寸能够显著降低——例如变压器和滤波器，然而开关器件损耗却大大提高。为使开关电源工作于高频并降低整机损耗，经常采用谐振变换技术——电压/电流按照正弦模式进行改变、开关器件处于软开关状态，因此大大降低开关损耗和系统噪声。

在各种谐振变换器中，LC系列谐振变换器最简单而且应用最广泛——整流、负载网络与LC谐振网络相串联，如下图1所示，三者工作于分压状态。通过改变驱动电压频率使得谐振网络阻抗变化，输入电压在谐振阻抗和反射负载之间进行分压，所以LC系列谐振变换器的直流增益总小于1。轻载时负载电阻远远大于谐振网络阻抗，所有输入电压都施加在负载上，故轻负载时调压困难。从理论上讲，负载开路时只有开关频率无穷大时才能进行输出电压调节。

图1 半桥LC系列谐振变换器

为了克服LC串联谐振变换器限制，已经提出LLC谐振变换器。LLC谐振变换器通过将分流电感放置在变压器初级绕组而实现LC谐振变换器改进，具体如图2所示。当第一次提出该种拓扑时，由于对变压器原边循环电流的逆向考虑，该结构并未得到很多关注，然而当输入电压提高、开关损耗远远大于导通损耗时LLC拓扑非常有效。

图2 半桥LLC谐振变换器

通常实际设计中利用变压器磁化电感实现分流电感功能，LLC谐振变换器电路图与LC系列谐振变换器相同，唯一区别在于磁化电感值。虽然串联谐振变换器具有比LC系列谐振电感（）大得多的磁化电感值，但LLC谐振变换器中的磁化电感仅为的3〜8倍，并且通常利用变压器气隙实现——量变到质变。

LLC谐振变换器在串联谐振变换器领域具有许多优点：相对较小的开关频率调节就能实现宽输入电压和宽负载变化，并且在全工作范围内实现零电压开关（ZVS）。即使考虑所有半导体器件的结电容和变压器漏电感与磁化电感等所有基本寄生特性，LLC谐振变换器均能实现软开关。

本应用笔记使用FSFR系列FPS™的LLC谐振半桥变换器进行实际设计，包括LLC谐振变换器工作原理分析、变压器和谐振网络器件计算与选型，按照设计实例逐步完成24V/8A的LLC谐振变换器。（AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).pdf）

本文核心：a、利用PSpice仿真对原始LLC资料进行学习，包括变压器和调频控制器模型建立、交流增益特性曲线绘制与分析；b、LLC谐振变换器开环分析和测试；c、LLC谐振变换器闭环分析和测试，包括负载效应测试、输出电压调节、源效应测试；d、本文未对LLC工作原理进行分析，需要者请详细学习参考资料“AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).PDF”。

2、LLC谐振变换器仿真测试

2.1、LLC谐振变换器基波等效法分析——PS：Test1，对应原始资料的Figure7

=100kHz、=57kHz、=400V、m=3时对LLC谐振变换器进行交流仿真测试，仿真电路、交流与负载仿真设置、仿真结果分别如下图所示，仿真结果与论文一致，并且变压器等效物理模型与数学模型功能相同，实际分析LLC电路时可以参考对比使用，以便针对不同拓扑采用不用形式的变压器，以提高分析结果的准确度与效率。

通过分析LLC谐振变换器的增益曲线可知：无论负载如何改变，在谐振频率处的增益总为1，如此便可通过在附件微调开关频率进行输出电压调节。

LLC变换器增益测试电路——交流分析

交流仿真设置

负载设置——分别对应Q=0.25、0.5、0.75、1

利用变压器等效物理模型测试的LLC增益传输特性曲线

利用变压器等效数学模型测试的LLC增益传输特性曲线

2.2、LLC谐振变换器开环测试——PS：Test2，对应原始资料的Figure6、Figure30

=100kHz、=57kHz、=400V、m=3、满载时对LLC谐振变换器进行开环仿真测试，仿真电路、瞬态设置、仿真结果分别如下所示：a、变换器工作于ZVS零电压开关状态；b、开关频率=80k时输出电压稳态值=34.5V，=100k时输出电压稳态值=23.6V，=120k时输出电压稳态值=19.6V——通过改变开关频率能够进行输出电压调节。