【我已收藏】很完整的LLC谐振半桥电路分析与计算

Question

如题所述

Answer 1

在现代开关电源设计中， LLC谐振半桥电路凭借其独特的技术优势脱颖而出。它摒弃了传统磁性元件的高损耗，通过ZVS（零电压开关）和ZCS（零电流开关）技术实现了高效节能。其核心原理是利用串联谐振电路在电流和电压过零点时消除开关损耗，实现变频控制与固定50%占空比，确保低恢复损耗和高效率。

深入研究FHA电路模型，我们发现输入和输出电压的基频分量以及电压增益M与关键参数fn（工作频率）、λ（品质因数）和Q紧密相关。通过调整fn，我们能够精确控制电压增益，从而稳定输出电压。在大功率应用场景中，PFC电路的存在使得LLC电路对输入电压波动的适应性增强，工作电压范围受其影响较小，设计时需兼顾宽负载变化的挑战。

关键设计要点在于：在给定的输入电压和负载条件下，Mmin与fmax、Mmax与fmin的选择至关重要。λ的增大会提升空载谐振频率，但对空载增益特性产生负面影响，而最大增益会相应增加。归一化阻抗Zn的分析揭示了不同工作区域，特别在λ=0.2时的曲线簇提供了深入理解。

LLC谐振变换器的临界频率fz受λ和Q的影响，区分了感性与容性负载区域，而fn则决定了这一切换点。为了实现ZVS，电容Coss和Cstray的选择以及ZVS的充分条件Izvs是必须满足的。半桥MOSFET的ZVS相位判定与Qmax的选择息息相关，确保最大输出功率的同时，避免ZVS条件的不满足。

在实际验证过程中，必须确保Qmax（最大输出功率，最小输入电压）的计算满足输入阻抗非零相位的要求，以避免ZVS条件失效。同时，需考虑空载和最大输入电压下的Qzvs2，满载时需增加这一约束。在空载状态下，Q值趋于零，品质因数的确定至关重要。

为了实现ZVS工作，Qmax应小于Qzvs1和Qzvs2的最小值。在过载和短路情况下，电路工作点必须位于感性区域，防止MOSFET硬开关和设备损坏，同时要限制最小工作频率以避免进入容性区域，以确保峰值功率管理和有效的热管理。

LLC谐振半桥电路的磁集成优势显著，APR模型（磁耦合简化模型）有效地处理漏电感问题。在设计过程中，需结合物理模型和等效模型，通过确定Lr（主磁通电感）、Lm（互感电感）和n（磁路对称系数）三个关键参数，来满足一系列设计规格，如输入电压范围、输出电压和谐振频率，同时遵循工作电压范围、自动调节和ZVS区域等准则，通过10个计算步骤得出最终的变压器圈比、增益、频率等参数，进而选定元件值，如Lr、Lm和电容Cr，以实现高效且稳定的电路性能。