LLC谐振电路工作原理及参数设计
llc谐振工作原理
llc谐振工作原理LLC谐振工作原理一、引言LLC谐振（LLC Resonant）是一种常用于电力电子设备中的谐振电路，它具有高效率、低损耗以及稳定性好等优点，因此被广泛应用于电源、变换器等领域。
本文将从工作原理的角度对LLC谐振进行介绍。
二、LLC谐振的基本结构LLC谐振的基本结构由三个主要部分组成：输入电源（Vin）、谐振电容（Cres）和谐振电感（Lres）。
在输入电源的作用下，谐振电容和谐振电感形成一个谐振回路，通过控制开关管（MOSFET）的开关动作，实现能量的传输和转换。
三、LLC谐振的工作原理LLC谐振工作原理可以分为两个阶段：谐振阶段和关断阶段。
1. 谐振阶段在谐振阶段，输入电源的直流电压被转换为高频交流电压，进而通过谐振电容和谐振电感形成谐振回路。
MOSFET开关管通过控制电源的导通和关断，使电流在谐振电感和谐振电容之间来回流动，形成谐振。
在这个阶段，谐振电容和谐振电感的交流电压和电流都存在，通过合理选择谐振频率、电容和电感的参数，可以使得能量传输效率最大化。
2. 关断阶段在关断阶段，MOSFET开关管被关断，电流停止流动，谐振电容和谐振电感之间的能量存储在磁场中。
此时，通过合理设计电感和电容的参数，可以使得能量存储在磁场中的时间最长，从而减少能量损耗。
在关断阶段，通过控制开关管的关断时间，可以调节输出电压的大小和稳定性。
四、LLC谐振的特点和优势LLC谐振具有以下几个特点和优势：1. 高效率：由于LLC谐振可以实现高效能量转换和传输，因此具有较高的电能利用率，能够提高系统的整体效率。
2. 低损耗：LLC谐振在谐振阶段只有很小的开关损耗，而在关断阶段能量存储在磁场中，减少了能量损耗，从而降低了系统的功耗。
3. 稳定性好：通过合理设计谐振频率、电容和电感的参数，可以使得LLC谐振具有较好的稳定性，减少了输出电压的波动和噪声。
4. 宽工作范围：LLC谐振能够适应不同输入电压范围和负载变化，具有较宽的工作范围，提高了系统的稳定性和可靠性。
LLC谐振电路工作原理及参数设计
llc谐振电路工作原理及参数设计contents •LLC谐振电路工作原理•LLC谐振电路参数设计•LLC谐振电路优化与控制•LLC谐振电路应用案例•LLC谐振电路发展与挑战•参考文献目录CHAPTERLLC谐振电路工作原理连续模式断续模式工作模式电路组成工作过程输入变压器将直流电压转换为交流电压，并通过输出变优点030201CHAPTERLLC谐振电路参数设计频率范围频率稳定性操作频率增益LLC谐振电路的增益通常由放大器和反馈网络决定。
在设计时，需要考虑增益的平坦度和稳定性，以确保良好的频率响应和信号质量。
效率高效率是LLC谐振电路的重要性能指标之一。
为了实现高效率，需要考虑功率匹配和电路损耗。
采用有效的匹配网络和低损耗元件可以提高电路的效率。
增益和效率阻抗匹配输入阻抗LLC谐振电路的输入阻抗需要根据放大器的输入阻抗进行匹配。
这可以保证信号的有效传输和防止信号反射。
输出阻抗输出阻抗也需要进行匹配，以确保信号的完整传输和防止信号反射。
这可以通过使用合适的输出网络和元件来实现。
稳定性与可靠性稳定性可靠性CHAPTERLLC谐振电路优化与控制优化方法03功率控制控制方法01电压控制02电流控制参数设计谐振频率占空比负载阻抗CHAPTERLLC谐振电路应用案例案例1：节能荧光灯电子镇流器描述01工作原理02参数设计03描述案例2：开关电源工作原理参数设计描述工作原理参数设计案例3：电磁炉CHAPTERLLC谐振电路发展与挑战发展背景介绍发展历程当前状况虑多个因素，如负载条件、电源电压、电路拓扑等，设计过程较参数设计复杂定性的元件，因此制造成本相对较高，需要优化设计以降低成本。
制造成本高稳定性问题可靠性问题挑战CHAPTER参考文献参考文献参考文献1参考文献2参考文献3WATCHING。
LLC谐振电路工作原理及参数设计
LLC谐振电路工作原理及参数设计1.工作原理1)谐振电容C_r在开关周期的开始阶段，通过二极管D_r充电。
2)开关管S1和S2断开，电感L和电容C形成谐振回路。
当电感L储存能量时，将电压施加到电容C_r上，将其放电。
3)当电感L中的能量耗尽后，电感L开始向电源充电，并且二极管D_r反向加电脉冲。
4)开关管S1和S2闭合，电感L和电容C保持在回路中，同时谐振电容C_r充电。
5)重复上述过程。
-高效率：由于谐振电容C_r的存在，电路的开关损耗减少，使得效率提高。
-高可靠性：谐振电容C_r能够吸收开关管压降的反冲电压，降低了开关管的电压应力。
-高功率密度：由于高效率和高可靠性，LLC谐振电路的功率密度较高。
2.参数设计2.1.谐振频率（f_r）谐振电感L和电容C以及谐振电容C_r共同决定了谐振频率。
谐振频率应根据具体应用需求来选择，一般在10kHz至1MHz之间。
2.2.谐振电容（C_r）谐振电容C_r的选择应根据应用中电路的输入电压和电流来决定。
通常情况下，谐振电容为输入电流的几倍。
2.3.能量传输比（η）能量传输比是LLC谐振电路的另一个重要参数，它表征了能量从输入到输出的传输效率。
能量传输比的设计应考虑到开关管和电容的损耗以及电感的耗能。
2.4. 开关频率（f_sw）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。
2.5.触发角度（α）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。
综上所述，LLC谐振电路通过合理的参数设计，可以实现高效率、高可靠性和高功率密度的电力转换。
设计者在实际应用中需要根据具体需求来确定谐振频率、谐振电容、能量传输比、开关频率和触发角度等参数。
LLC谐振电路工作原理及参数设计
要点三
MATLAB语言简介
MATLAB是一种流行的科学计算软件，可以进行各种数值计算、数据分析、算法开发等。
要点一
要点二
MATLAB在LLC谐振电路仿真…
使用MATLAB的Simulink模块可以对LLC谐振电路进行建模和仿真，通过调整电路参数，观察输出结果，验证电路设计的正确性。
MATLAB仿真的优势
详细描述
频率偏移问题及解决方案
总结词
LLC谐振电路中，元件的温度系数对电路的性能有着重要影响。
详细描述
为了解决温度系数问题，可以在电路中采用具有负温度系数的元件，如锰铜电阻等。此外，还可以采用温度补偿技术，通过对元件的物理特性进行补偿，以抵消温度对电路性能的影响。
温度系数问题及解决方案
05
LLC谐振电路未来发展趋势
基于新型材料LLC谐振电路的研究
THANKS
谢谢您的观看
研究方向
研究高频率（例如X波段和Ku波段）和大功率（例如千瓦级）的LLC谐振电路，提高变换效率和功率容量。
挑战
需要解决高频率下的功率容量和散热问题，以及大功率下的变换效率和可靠性问题。
高频率、大功率LLC谐振电路的研究
研究LLC谐振电路在太阳能、风能等新能源领域的应用，提高新能源利用效率。
研究方向
优点
LLC谐振电路具有高效率、高可靠性、高功率密度等优点，因此在现代电源技术领域得到了广泛应用。同时，LLC谐振电路还具有低噪音、低电磁干扰等优点，适用于对电源性能要求较高的应用场景。
LLC谐振电路应用场景
02
LLC谐振电路参数设计
在LLC谐振电路中，电阻主要用于消耗电能在适当的电阻上产生适当的电压降，以调节整个电路的能量分布。
llc谐振开关电源电路原理
llc谐振开关电源电路原理LLC谐振开关电源电路原理LLC谐振开关电源电路是一种高效、低噪声的电源设计方案，广泛应用于各种电子设备中。
本文将介绍LLC谐振开关电源电路的工作原理及其优势。
一、LLC谐振开关电源电路的基本原理LLC谐振开关电源电路由LLC谐振网络和开关电源组成。
LLC谐振网络由电感L、电容C和电感L2构成，以及谐振电容C1和电感L1。
开关电源由开关管和变压器组成。
在工作过程中，LLC谐振开关电源电路首先通过变压器将输入电压变换为所需的输出电压。
然后，开关管控制开关频率和占空比，将电能传递到输出负载上。
通过LLC谐振网络的谐振作用，实现电能的高效转换和传输。
二、LLC谐振开关电源电路的工作过程LLC谐振开关电源电路的工作过程可分为两个阶段：开关阶段和谐振阶段。
1. 开关阶段：在开关阶段，开关管导通，输入电源将电能传输到变压器的一侧。
同时，电容C1通过电感L1充电。
当开关管关闭时，电容C1通过电感L1和电感L2的共振，将电能传输到输出负载上。
2. 谐振阶段：在谐振阶段，开关管关闭，电感L1和电感L2之间的电能开始谐振。
谐振电压和电流在电感L和电容C的共振作用下，形成高频交流信号。
通过调节电感L和电容C的数值，可以实现输出电压和电流的稳定控制。
三、LLC谐振开关电源电路的优势LLC谐振开关电源电路相比传统的开关电源具有以下优势：1. 高效性：LLC谐振开关电源电路利用谐振网络的特性，实现了高效率的能量转换和传输，显著提高了能源利用率。
2. 低噪声：由于谐振频率高于人耳可听到的范围，LLC谐振开关电源电路工作时产生的噪声较低，有利于提高电子设备的使用体验。
3. 宽输入电压范围：LLC谐振开关电源电路的谐振网络可以适应宽范围的输入电压变化，提供稳定的输出电压，适用于各种电源输入条件。
4. 稳定性好：LLC谐振开关电源电路具有较好的稳定性和抗干扰能力，能够有效应对电网波动和负载变化等外部干扰。
LLC谐振电路工作原理及参数
实现方式
通过调整电路元件的参数 或添加阻抗变换器来实现 阻抗匹配。
影响
阻抗匹配可以提高信号传 输效率，减小信号损失和 反射，提高系统的稳定性。
04
LLC谐振电路设计
设计流程
确定目标输出电压和电流
根据应用需求，确定LLC谐振电路的 目标输出电压和电流。
选择合适的磁性元件
根据目标输出电压和电流，选择合适 的变压器和电感器。
当LLC转换器工作在容性工作状态时， 转换器的输入电压低于其输出电压。 此时，转换器的效率较低，输出功率 较小。
03
LLC谐振电路参数
品质因数Q
01
定义
品质因数Q是衡量电感或电容的 储能与耗能之间的比值，用于描 述电路的频率选择性。
02
03
计算公式
影响
$Q = frac{2pi f_0W}{P}$，其中 $f_0$是谐振频率，W是储能，P 是耗能。
根据谐振频率和电感器的值，计算电容器的容量。
确定电阻的阻值
根据输出电压和电流，确定电阻的阻值，以实现电流限制或电压调 节。
仿真与优化
使用仿真软件进行电路仿真
使用仿真软件对LLC谐振电路进行建模和仿真， 以验证设计的正确性和性能。
优化电路参数
根据仿真结果，优化电路参数，以提高效率、 减小体积或降低成本。
LLC谐振电路工作原理及 参数
• LLC谐振电路概述 • LLC谐振电路工作原理 • LLC谐振电路参数 • LLC谐振电路设计 • LLC谐振电路性能测试 • LLC谐振电路实际应用案例
01
LLC谐振电路概述
定义与特点
定义
LLC谐振电路是一种电子电路，由 电感、电容和电抗元件组成，通 过调整元件参数，使电路在特定 频率下产生谐振。
LLC谐振电路工作原理及参数设计
Powering the Future
LLC电路拓朴原理
+ Q1
D1
Vin
A
-
Q2 D2
Cr Lr
D R1
**
Lm n p
ns
*
Cf
ns
0L
R
1 0C
R
L /C R
Powering the Future
谐振电路简介
串联谐振特性
1）阻抗最小：Z0=R 2) u-i = 0 3) cos =1 4) 电流达到最大值：
Im=U/R 5) L、C端出现过电压:
UL=UC=QU 6) 相量图
Powering the Future
•
Powering the Future
fs>fr1
Q1 OFF Q2 ON
(Phase3 /6)
3/6
Q1 ON Q2 OFF
Q1 OFF Q2 ON
Q1 Coss1
Vin
Cr Ls
n:1:1 D1 Cout
Coss2 Lp
Q2
Vout
D2
在上个阶段结束时,Cr中的电流是从右 到左的,而且没有回零 在Q1体二极管导通时刻,Q1 ON,实现 ZVS开通 当 Q1 导通后，谐振电流通过 Q1 反 向流通，谐振电流大于激磁电流，副 边二极管D1导通向负载提供能量 同时Lm进行反向励磁 当ILs=0时,此阶段结束
对于谐振电路而言，要使其呈现感性状态，必须使外加激励的频 率高于谐振频率。因此对于LLC，其最小开关频率不能低于 fr2. 从 开关频率与谐振频率的关系来看，LLC的工作状态分为 fs=fr1, fs>fr1,fr2<fs<fr1三种工作状态。 Powering the Future
LLC谐振电路设计说明
LLC谐振电路设计说明一、基本原理在LLC谐振电路中，电感L和电容C组成一个LC并联谐振回路，而互感M则将LC回路与输出端的变压器耦合。
当开关管(S)打开，电源通过互感M向LC回路充电，此时电流呈指数增长，储存能量。
当开关管(S)关闭时，LC回路开始放电，将能量传递给输出端。
通过合理选择谐振频率，可以实现零电流切换，提高电路的效率。
二、设计流程1.确定输入和输出电压：根据具体应用需求，确定输入和输出电压的大小和波形。
2.选择谐振频率：谐振频率的选择应根据输入和输出电压的大小、电感L和电容C的数值以及互感M的耦合系数进行计算。
通常，谐振频率的选择应该在开关频率的3倍以上，以确保电路的谐振稳定。
3.电感和电容的选择：电感L的大小应根据输入电压、输出电压和互感M的耦合系数计算得出，而电容C的大小则需要根据谐振频率和电感L的数值计算得出。
4.互感系数的选择：互感M的耦合系数一般选择在0.990~0.999之间，以实现合理的功率传输。
5.开关管的选择：开关管的选择应考虑到电路的功率和效率要求，以及开关频率和电流承载能力。
6.控制电路的设计：LLC谐振电路需要合适的控制电路来实现开关管的控制与保护，防止开关管的热损坏和电路的过电流。
7.电磁干扰(EMI)的抑制：由于LLC谐振电路需要高频开关操作，产生的电磁干扰需要进行有效的抑制，以符合相关的EMI标准要求。
三、关键参数选择1.输入电压和电流：根据应用需求确定输入电压和电流的大小，并考虑电源的功率因数校正要求。
2.输出电压和电流：根据应用需求确定输出电压和电流的大小，并考虑负载的需求和变化范围。
3.谐振频率：根据输入和输出电压、电感L和电容C的数值以及互感M的耦合系数选择谐振频率。
4.电感和电容：根据输入电压、输出电压、互感M的耦合系数和谐振频率选择合适的电感和电容数值。
5.互感系数：根据电路的设计要求和互感器的特性选择合适的互感系数。
6.开关管：根据电路的功率和效率要求、开关频率和电流承载能力选择合适的开关管。
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变压器副边无电流，二极管D2零电流 关断，实现ZCS Q2也关断
fs(=Phfars1e 2/6)
2/6
Q1 OFF Q2 ON
Q1 ON Q2 OFF
LLC谐振电路工作原理及参数设计
第1章 谐振电路简介 第2章 LLC拓扑原理 第3章 参数设计计算 第4章 L6599芯片介绍 第5章 设计注意事项
谐振电路简介
谐振现象: 含有RLC 的无源单口网络在正弦激励作用下, 对于某些频率出现端口电压、电流同相位。
谐振条件： X = XL - XC
=0
谐振分类： 1、串联谐振 2、并联谐振
从这个方案可以看出，可以利用双谐振网络来实现 ZVS，如果将LCC的直流特性左右翻转，那么低频谐振点 就可以利用上。因此，出现了特性较好的谐振#43; Q1
D1
Vin
A
-
Q2 D2
Cr Lr
D R1
**
Lm n p
ns
*
Cf
ns
DR2
+
R Vout
-
LLC形式
LLC电路拓朴原理
串联谐谐振电一路、谐简振条介件与谐振频率：
振
谐振条件： XXLXC
L 1 0
谐振频率：
C
1 LC
0
或
f0
2
1 LC
谐振产生方法：
1）信号源给定，改变电路参数；
2）电路给定，改变信号源频率。
谐振电路简介
谐振参数：
1、谐振阻抗：谐振时电路的输入阻抗Z0 串联谐振电路： Z0=R
2、特征阻抗：谐振时的感抗或容抗。 串联谐振电路：
串联谐振电路阻抗
ZU I RjLj1C | Z|| RjLj1C|
并联谐振电路的阻抗计算?
第1章 谐振电路简介 第2章 LLC拓扑原理 第3章 参数设计计算 第4章 L6599芯片介绍 第5章 设计注意事项
谐振电路拓朴原理
谐振变换器之所以得到重视和研究，是因 为在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一 点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率 变换器的效率。
0L10C
L C
3、品质因数：
Q
Z0
0L
R
1 0C
R
L /C R
谐振电路简介
串联谐振特性
1）阻抗最小：Z0=R 2) u-i = 0 3) cos =1 4) 电流达到最大值：
Im=U/R 5) L、C端出现过电压:
UL=UC=QU 6) 相量图
•
U
İ
（电流与电压同相位）
谐振电路简介
+ Q1
Vin
-
Q2
Lr
D R1
**
Cr np
ns C f
*
ns
DR2
+
R Vout
-
PRC的直流特性曲线
根据其直流特性可知： ① fs>fr时，实现软开关； ② 轻载时，fs并不要变化很大来
维持输出电压不变； ③ Vin增大时，fs增大来维持输出
电压不变。 此时谐振腔内循环的能量依然 很大，即使是在轻载的条件下，由 于负载与电容并联，仍然有一个比 较小的串联阻抗。
具备零电压开关能力。
LLC电路拓朴原理
LLC变换器的模态分析
根据LLC谐振变换器的直流 增益特性可以将其分为三个工作 区域。
通常将LLC谐振变换器设计 工作在区域1和2，工作区域3 是 ZCS工作区。对于MOSFET而言， ZVS模式的开关损耗比ZCS模式的 开关损耗要小。
对于谐振电路而言，要使其呈现感性状态，必须使外加激励的 频率高于谐振频率。因此对于LLC，其最小开关频率不能低于 fr2. 从开关频率与谐振频率的关系来看，LLC的工作状态分为 fs=fr1, fs>fr1,fr2<fs<fr1三种工作状态。
**
np
ns C f
*
+
R Vout
-
ns
DR2
电路中电感与电容串联，形成一个串联谐振腔。这 个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作用， 增益总是小于1。谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频 率fr下阻抗最小，此时的增益也最大。
SRC的直流特性曲线
根据电路的直流特性可知： ① fs>fr时,开关管 Q-->ZVS； ② 轻载时，fs要变化很大才能保证
对于LLC电路，存在两个谐振频率：
f r1 2
1 Lr C r
fr2
2
1 （Lr
Lm )Cr
显然，fr1>fr2。由直流特性曲线可知： ① 当fs>fr2时，MOSFET工作在ZVS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开
关损耗较ZCS模式要小； ② 在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也
1/6
Q1 OFF Q2 ON
fs(=Phfars1e 1/6)
Q1 ON Q2 OFF
Q1 OFF Q2 ON
Q1 Coss1
Vin
Cr Ls
n:1:1 D1 Cout
Coss2 Lm
Q2
Vout
D2
设定初始条件为:谐振回路中电流到零 (在Q2导通时间内) 此时间内Q1 OFF,Q2 ON,D2 ON 变压器向副边传递能量
输出电压不变; ③ Vin增大时,fs增大使输出电压保
持不变。 此时谐振腔的阻抗也增大，则 谐振腔内有很高的能量在循环，而 并没有把这些能量供给负载，并且 使半导体器件的应力增大。
因此，串联谐振变换器存在一些不利因素：轻载调整率高、 高的谐振能量、高输入电压时较大的关断电流。
PRC（并联谐振电路）
与SRC相比，PRC优点：在轻载时，频率变化不大即可保证 输出电压不变。
PRC的缺点：高的谐振能量、高输入电压时关断电流较大 会引起较大的关断损耗。
SPRC（串并联谐振电路）
串并联谐振电路有两种形式。
+ Q1
Vin
-
Q2
Csr
Lr
D R1
*
Cpr n p
*
ns C f
*
+
R Vout
-
ns
DR2
LCC形式
SPRC（串并联谐振电路）
对于LCC电路，存在两个谐振频率：
fr1 2
1 LrC sr
fr 2 2
1
Lr
(C sr
//
C
）
pr
显然，fr2<fr1。由直流特性曲线可知： ① 当fr2<fs<fr1时，MOSFET工作在ZCS区域，对于
MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小； ② 为了满足ZVS，fs>fr1，这样低频谐振点没有利用。
谐振功率变化器有以下三种：SRC（ Series Resonance Circuit）、PRC（Parallel Resonance Circuit）、SPRC（SeriesParallel Resonance Circuit，又称LLC）。
SRC（串联谐振电路）
+ Q1
Vin
-
Q2
Cr
Lr
D R1