LLC諧振變換器仿真分析與設(shè)計——24V/8A、100kHz、半橋開關(guān)電源調(diào)頻控制器模型建立與測試。本文涉及文件均在附件中，請按提示下載，下載后請將PSpice仿真程序解壓到英文目錄下運行！

1、LLC諧振變換器工作原理分析

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

簡介：不斷提高的開關(guān)電源功率密度受到無源器件尺寸限制，當其工作于較高頻率時無源器件的尺寸能夠顯著降低——例如變壓器和濾波器，然而開關(guān)器件損耗卻大大提高。為使開關(guān)電源工作于高頻并降低整機損耗，經(jīng)常采用諧振變換技術(shù)——電壓/電流按照正弦模式進行改變、開關(guān)器件處于軟開關(guān)狀態(tài)，因此大大降低開關(guān)損耗和系統(tǒng)噪聲。

在各種諧振變換器中，LC系列諧振變換器最簡單而且應(yīng)用最廣泛——整流、負載網(wǎng)絡(luò)與LC諧振網(wǎng)絡(luò)相串聯(lián)，如下圖1所示，三者工作于分壓狀態(tài)。通過改變驅(qū)動電壓頻率使得諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗變化，輸入電壓在諧振阻抗和反射負載之間進行分壓，所以LC系列諧振變換器的直流增益總小于1。輕載時負載電阻遠遠大于諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗，所有輸入電壓都施加在負載上，故輕負載時調(diào)壓困難。從理論上講，負載開路時只有開關(guān)頻率無窮大時才能進行輸出電壓調(diào)節(jié)。

 圖1 半橋LC系列諧振變換器

為了克服LC串聯(lián)諧振變換器限制，已經(jīng)提出LLC諧振變換器。LLC諧振變換器通過將分流電感放置在變壓器初級繞組而實現(xiàn)LC諧振變換器改進，具體如圖2所示。當?shù)谝淮翁岢鲈摲N拓撲時，由于對變壓器原邊循環(huán)電流的逆向考慮，該結(jié)構(gòu)并未得到很多關(guān)注，然而當輸入電壓提高、開關(guān)損耗遠遠大于導(dǎo)通損耗時LLC拓撲非常有效。

圖2 半橋LLC諧振變換器

通常實際設(shè)計中利用變壓器磁化電感實現(xiàn)分流電感功能，LLC諧振變換器電路圖與LC系列諧振變換器相同，唯一區(qū)別在于磁化電感值。雖然串聯(lián)諧振變換器具有比LC系列諧振電感（）大得多的磁化電感值，但LLC諧振變換器中的磁化電感僅為的3?8倍，并且通常利用變壓器氣隙實現(xiàn)——量變到質(zhì)變。

LLC諧振變換器在串聯(lián)諧振變換器領(lǐng)域具有許多優(yōu)點：相對較小的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)寬輸入電壓和寬負載變化，并且在全工作范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）。即使考慮所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器漏電感與磁化電感等所有基本寄生特性，LLC諧振變換器均能實現(xiàn)軟開關(guān)。

本應(yīng)用筆記使用FSFR系列FPS™的LLC諧振半橋變換器進行實際設(shè)計，包括LLC諧振變換器工作原理分析、變壓器和諧振網(wǎng)絡(luò)器件計算與選型，按照設(shè)計實例逐步完成24V/8A的LLC諧振變換器。（AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).pdf）

本文核心：a、利用PSpice仿真對原始LLC資料進行學習，包括變壓器和調(diào)頻控制器模型建立、交流增益特性曲線繪制與分析；b、LLC諧振變換器開環(huán)分析和測試；c、LLC諧振變換器閉環(huán)分析和測試，包括負載效應(yīng)測試、輸出電壓調(diào)節(jié)、源效應(yīng)測試；d、本文未對LLC工作原理進行分析，需要者請詳細學習參考資料“AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).PDF”。

2、LLC諧振變換器仿真測試

2.1、LLC諧振變換器基波等效法分析——PS：Test1，對應(yīng)原始資料的Figure7

=100kHz、=57kHz、=400V、m=3時對LLC諧振變換器進行交流仿真測試，仿真電路、交流與負載仿真設(shè)置、仿真結(jié)果分別如下圖所示，仿真結(jié)果與論文一致，并且變壓器等效物理模型與數(shù)學模型功能相同，實際分析LLC電路時可以參考對比使用，以便針對不同拓撲采用不用形式的變壓器，以提高分析結(jié)果的準確度與效率。

通過分析LLC諧振變換器的增益曲線可知：無論負載如何改變，在諧振頻率處的增益總為1，如此便可通過在附件微調(diào)開關(guān)頻率進行輸出電壓調(diào)節(jié)。

LLC變換器增益測試電路——交流分析

 交流仿真設(shè)置

負載設(shè)置——分別對應(yīng)Q=0.25、0.5、0.75、1

利用變壓器等效物理模型測試的LLC增益?zhèn)鬏斕匦郧€

 利用變壓器等效數(shù)學模型測試的LLC增益?zhèn)鬏斕匦郧€

2.2、LLC諧振變換器開環(huán)測試——PS：Test2，對應(yīng)原始資料的Figure6、Figure30

=100kHz、=57kHz、=400V、m=3、滿載時對LLC諧振變換器進行開環(huán)仿真測試，仿真電路、瞬態(tài)設(shè)置、仿真結(jié)果分別如下所示：a、變換器工作于ZVS零電壓開關(guān)狀態(tài)；b、開關(guān)頻率=80k時輸出電壓穩(wěn)態(tài)值=34.5V，=100k時輸出電壓穩(wěn)態(tài)值=23.6V，=120k時輸出電壓穩(wěn)態(tài)值=19.6V——通過改變開關(guān)頻率能夠進行輸出電壓調(diào)節(jié)。

輸出滿載時的測試電路——=100k、=400V、≈24V、≈8A

實際測試波形——滿載

仿真結(jié)果——滿載Load=1

實際測試波形——空載

仿真結(jié)果——空載Load=0.01

2.3、LLC諧振變換器閉環(huán)測試——PS：Test3，對應(yīng)原始資料的Figure17、Figure28

=100kHz、=57kHz、=400V、m=5時對LLC諧振變換器進行閉環(huán)仿真測試，仿真電路、瞬態(tài)設(shè)置、仿真結(jié)果分別如下所示，包括源效應(yīng)、負載效應(yīng)、輸出電壓調(diào)節(jié)。

LLC諧振變換器電路——主電路+調(diào)頻控制+驅(qū)動

瞬態(tài)仿真設(shè)置

a、LSE=1、VSE=0——負載效應(yīng)測試有效、輸出電壓調(diào)節(jié)無效，V1=V2=400；

輸出電壓=24V、負載電流增大時的測試波形與數(shù)據(jù)分別如下圖所示，由3.2A增大為6.386A時輸出電壓變化小于200mV，并且在2ms之內(nèi)完全恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。

輸出電壓與電流波形

b、LSE=0、VSE=1——負載效應(yīng)測試無效、輸出電壓脈沖調(diào)節(jié)有效，V1=V2=400；

輸出電壓=23.9V時的開關(guān)周期為10.339us——=96.7kHz，輸出電壓=22.3V時的開關(guān)周期為8.644us——=115.7kHz，輸出電壓設(shè)置完成后控制電路能夠自動調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，使得輸出電壓值與設(shè)置值一致——開關(guān)頻率越高、輸出電壓越低。

輸出電壓波形

輸出電壓=23.9V時的開關(guān)周期為10.339us——=96.7kHz

輸出電壓=22.3V時的開關(guān)周期為8.644us——=115.7kHz

c、LSE=0、VSE=0時輸出電壓穩(wěn)態(tài)值測試：V1=400、V2=400；

輸出電壓設(shè)置值分別為Vout=22、24、26；

輸出電壓設(shè)置值Vout=22時的V(OUT)和驅(qū)動信號仿真波形

——開關(guān)周期為8.378us、開關(guān)頻率為=119.36kHz

輸出電壓設(shè)置值Vout=24時的V(OUT)和驅(qū)動信號仿真波形

——開關(guān)周期為10.274us、開關(guān)頻率為=97.33kHz

輸出電壓設(shè)置值Vout=26時的V(OUT)和驅(qū)動信號仿真波形

——開關(guān)周期為11.858us、開關(guān)頻率為=84.33 kHz

d、LSE=0、VSE=0時測試源效應(yīng)：V1=400、V2=420；

輸出電壓與負載電流保持恒定時，改變供電電源VIN的瞬態(tài)值，測試反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)速度。測試波形如下圖所，V(IN)瞬間增大或者降低20V時輸出電壓V(OUT)對應(yīng)增大或者減小約1V、并且在1ms之內(nèi)完全恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。

源電壓與輸出電壓波形

3、實際驗證

實際驗證包括測試電路、變壓器設(shè)計、實際測試波形與數(shù)據(jù)。

分析總結(jié)：

• 1、利用LLC諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)等效增益為1的調(diào)頻控制，改變頻率調(diào)節(jié)輸出電壓；
• 2、開關(guān)器件工作于ZVS狀態(tài)，如此以提高整機效率；
• 3、利用集成變壓器即可實現(xiàn)原副邊漏感和勵磁電感，以提高變換器的集成度。