(TI)设计一款LLC谐振半桥式功率转换器
LLC谐振半桥变换器的设计

Ke y wo r d s :L LC c o n v e r t e r ,FHA , Z VS
0 引 言
传统 的硬 开关 P WM 变 换器在 高频 工作 时会 产生 很高 的开关 损 耗, 而 L L C 谐 振 变 换 器 可 以 通 过 使 MOS F E T实现 Z VS , 整流 二 极管 实 现 Z C S, 这 样 使得 开关 损耗 降 到 最小 , 效率大大提高l 1 ] 。同时 变 压器 中
通 馋 电 冻 术
2 0 1 4年 5 月 2 5 日第 3 1 卷 第 3期
Te l e c o m Po we r Te c h n o l o g y Ma y 2 5 ,2 0 1 4,Vo 1 .3 1 No . 3
文 章编 号 : 1 0 0 9 — 3 6 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 ~ 0 0 3 3 — 0 4
a p p r o x i ma t i o n ( FHA )t o d e v e l o p t h e i n p u Dt o — o u t p u t v o l t a g e - t r a n s f e r f u n c t i o n .Th e n i t a n a l y z e d t h e s e l e c t i o n o f e l e c t r i c p a —
了如何对 电气 参数 进行选 择 。最后 设计 了一个 工 作在 7 ( ) ~1 5 ( ) k Hz 频率 下 3 0 0 W的 L L C谐 振 变 换 器 , 并 用
半桥LLC谐振变换器设计与仿真

2.1.3 工作区域3(f<fr2)
区域3是MOSFET的ZCS工作区,因为在 f<fr2时,谐振腔阻抗呈容性,电压滞后于电流 。在谐振变换器中,一般不设计在这个区域, 所以这里将不详细讲解。
2.2 LLC变换器的直流特性分析
2.2.1 LLC变换器直流增益特性 LLC的谐振网络可以等效 如下图。 图中Req为折算到原边的负 载,其值为:
Q1
Cr
工作区域1——模态2
Q1
D1
Vin
Q2
Cr
Lr
Lm
DR1
Ir
Cf
D2
np
ns ns
DR2
R Vout
I Lm
② M2(t1<t<t2) Q1已经ON,Ir依然以正弦 规律增大,Ilm依然线性上升, 在t2时刻,Q1关断,但Ir>Ilm ,在Q1关断时,副边二极管 依然导通,Ins依然有电流,同 时Ir的存在,为Q2的ZVS开通 创造了条件。
不同k值下的直流增益曲线如下图,图中,横坐标为 fn, 纵坐标为增益M。 ③ 当k减小,即Lm的值减小 时,由于输出电压一定,那 么在电感Lm上的电压是一 个定值,由 Lm(di/dt)=u得, 电流的峰值变大。而原边开 关管关断时的电流即为激磁 电流,那么会使关断损耗较 大;但是峰值电流过小,可 能会影响零电压的开通。
I Q1
VCr
工作区域1——模态3
下半个周期与上半个周期类似。 (1)在t2时刻,Q1关断,Ir电流流经D2,在这个 过程中Q2开通,实现了ZVS开通,并且强制 Ir>Ilm; (2)Ilm电流开始减小,由电磁感应定律知,同名 端为“-”,副边DR2导通,原边Lm电压恒定, 其电流线性减小,直至Q2关断。
半桥LLC谐振网络变压器设计

集成谐振变换器设计
采用集成变压器设计, 将漏感用作串联电感, 励磁电感用作并联电 感。采用这种方法构 造磁元件时,需同时 考虑初次级都存在有 漏感。
集成谐振变换器设计
通过推导得出谐振频率fo处的增益Mv是固定 的,与负载波动无关,可以描述为:
LLC变换器工作模式: 严格上来说,LLC共有3种 工作模式, 1:fs<fo, 2:fs=fo, 3:fs>fo。 (fs是工作频率)
确定谐振网络最小与最大增益
确定谐振网络最小与最大增益
通过上面的计算,再结合频率与增益曲线 可由最大电压增益确定最小工作频率。
确定谐振网络最小与最大增益
光耦三极管完全关断时,得到最小开关频 率,描述如下:
整流网络设计
由于PCB尺寸限制及防止电容温度过高,一般地, 按照输出电流每安培用100-150UF来取值。
半桥LLC谐振网络扑包括3级 电路,如右图3所示 即方波发生器,谐 振网络和整流网络。 1:方波发生器负责 产生方波电压Vd,通 过50%占空比交替驱 动开关Q1和Q2来实现。
半桥LLC谐振网络变换器原理图
2:谐振网络包括一只 电容、变压器漏感和 励磁电感。谐振网络 滤除高次谐波电流。 3:整流网络产生直流 电压,采用整流二极 管和电容对交流电进 行整流。
半桥LLC谐振网络变换器设计
谐振变换器相对硬开关PWM变换器, 具有开关频率高、关断损耗小、效率高、 重量轻、体积小、EMI噪声小、开关应 力小等优点。而LLC谐振变换器具有原 边开关管易实现全负载范围内的ZVS, 次级整流管易实现ZCS,谐振电感和变 压器易实现磁性元件的集成,以及输入 电压范围宽等优点,因而得到了广泛的 关注。
电流检测与保护
FSFR1700-2100芯片管脚功能定义
LLC 谐振变换器参数设计 精品

LLC 谐振变换器参数设计1 电路概述图1 为半桥结构的LLC谐振变换器的主电路拓扑,两个主开关S1和S2构成一个半桥结构,其驱动信号均是固定0.5 占空比的互补信号,串联谐振电感Ls、串联谐振电容Cs和并联谐振电感Lp 构成LLC谐振网络。
该谐振网络连接在半桥的中点和地之间,因此谐振电容Cs也起一个隔直的作用。
在变压器副边,整流二极管D1和D2 组成中间抽头的整流电路,整流二极管直接连接到输出电容Co上。
当并联电感Lp上的电流iLp大于谐振槽路上的电流ip 时,电流ip1 大于零,原边向副边输送能量,同时并联电感两端电压被箝位,参与谐振的只有串联谐振电感Ls 和串联谐振电容Cs,此时的谐振频率称为串联谐振频率,记作fs;当并联电感上的电流iLp在其上箝位电压的作用下线性上升到与谐振槽路电流ip 相同时,电流i p1 减小到零,原边不再对副边传输能量,此时并联谐振电感Lp 与串联谐振电感Ls、串联谐振电容Cs 一起参与谐振,其谐振频率称为串并联谐振频率,记做fm。
当开关管的工作频率小于fm时,变换器工作在容性状态;当开关频率处于fm和fs 之间时,变换器工作在感性且副边整流二极管处于零电流关断状态;当开关频率大于fs时,零电流关断条件不再存在,LLC等同于一般的串联谐振电路。
图1 LLC 谐振变换器的主电路2 LLC变换器的建模和参数设计开关管S1 和S2 互补导通,在vAB上形成一方波电压;因为输出恒定,所以通过全波整流电路和中间抽头变压器等效到变压器原边同样形成一个方波电压,如图2所示为LLC谐振变换器的交流等效电路。
图2 中RAC 为电压型负载全波整流电路的交流等效负载图2 LLC 谐振变换器交流等效电路用交流分析法可得到交流基波电压增益:式中:k 为系数,k=Lp/Ls;fs为谐振频率f为开关频率。
而Ein 和Eo 分别为输入、输出电压基波有效值,其值为串联谐振电路品质因数经推导直流增益为根据以上推导的直流增益解析式,再采用Mathcad 得到直流增益与工作频率的关系如图3所示。
(TI)设计一款LLC谐振半桥式功率转换器

inductance, Lr, and the transformer’s magnetizing inductance, Lm. The LLC resonant converter has many addi tional benefits over conventional resonant con vert ers. For example, it can regulate the output over wide line and load variations with a relatively small variation of switching frequency, while main taining excellent efficiency. It can also achieve zerovoltage switching (ZVS) over the entire operating range. Using the LLC resonant configuration in an isolated half-bridge topology will be described next, followed by the procedure for designing this topology.
Lr Cr Lr
RL
Cr
RL
a. Series resonant converter.
b. Parallel resonant converter.
Fig. 1. Basic resonant-converter configurations.
Topic 3
lower than 1. Under light-load conditions, the impedance of the load is very large compared to the impedance of the resonant circuit; so it becomes difficult to regulate the output, since this requires the frequency to approach infinity as the load approaches zero. Even at nominal loads, wide frequency variation is required to regulate the output when there is a large input-voltage range. In the PRC shown in Fig. 1b, the load is connected in parallel with the resonant circuit, inevitability requiring large amounts of circulating current. This makes it difficult to apply parallel resonant topologies in applications with high power density or large load variations.
半桥llc谐振变换器工作原理_概述及解释说明

半桥llc谐振变换器工作原理概述及解释说明1. 引言1.1 概述本篇文章主要介绍了半桥LLC谐振变换器的工作原理,从基础概念出发,逐步深入解释其原理和设计考虑。
半桥LLC谐振变换器作为一种高效率、高稳定性的电源转换器,在工业、计算机以及新能源领域应用广泛。
通过该文章的阅读,读者可以全面了解半桥LLC谐振变换器的内部结构、工作原理以及应用案例分析,并对实现该变换器的关键要点有所掌握。
1.2 文章结构本文共分为五个主要部分:引言、半桥LLC谐振变换器工作原理、实现半桥LLC 谐振变换器的要点、实际应用案例分析以及结论与展望。
在引言中,将简要概括文章内容并说明目的,帮助读者对全文有一个初步的认识和预期。
接下来,我们将详细介绍半桥LLC谐振变换器的工作原理,包括概述、原理详解以及关键参数和设计考虑。
然后,我们将讨论实现该变换器所需注意的要点,包括控制策略选择与设计、调节回路设计与优化以及功率传输与效率提升技术。
随后,通过实际应用案例分析,我们将覆盖工业、计算机和新能源领域中半桥LLC谐振变换器的具体应用情况。
最后,在结论与展望部分,对文章进行总结,并展望未来该领域的研究方向。
1.3 目的本文的目的是介绍半桥LLC谐振变换器的工作原理及其相关要点和应用案例,为读者提供一个全面深入的了解。
通过本文,读者将能够掌握该变换器的基本概念、内部结构以及关键设计参数和考虑因素。
此外,通过实际应用案例分析,读者可以更好地了解半桥LLC谐振变换器在不同领域中的具体应用场景和效果。
最后,在结论与展望部分,我们会对该领域未来发展方向进行初步讨论。
希望通过这篇文章,读者可以加深对半桥LLC谐振变换器的理解,并在相关领域中有所应用和创新。
2. 半桥LLC谐振变换器工作原理2.1 谐振变换器概述谐振变换器是一种常用的电力电子转换器,其主要目的是将电能从一个形式转换为另一个形式。
在半桥LLC谐振变换器中,输入直流电压会被转换成高频交流电压,并通过输出侧得到所需的功率输出。
半桥LLC谐振变换器介绍

半桥LLC 谐振变换器目录概述硬开关与软开关分析对比LLC 工作原理工作模态分析效率分析计算设计总结概述全球对降低能耗的需求正在促进节能技术的推广。
在70W-600W 交流输入电源中,目前可能会做到更好功率,当然前提交流输入电源中目前可能会做到更好功率当然前提是很好的解决输出电压纹波噪声的基础上,由于LLC 谐振转换器(效率通常在90%以上)的效率高于标准电源拓扑,所以其运用越来越广泛。
本这为了设计出更高效率电源的目的,我们在以下报告内容探讨LLC谐振转换器相比硬开关转换器的功能优势,开关工作原理,谐振工作模态,效率计算分析等,做一个简要的介绍。
硬开关与软开关分析对比¾Hard switchHigher switching losses limit switching frequency.¾Low power density-¾Lower efficiency¾-Higher flux density level of transformer, bigger core size.¾Poor EMI ( high dv/dt and di/dt )¾Poor cross regulation¾Higher output ripple noiseHi h h l i i¾Higher thermal agitation ¾Higher voltage stress on MOSFET and rectifier diode硬开关与软开关分析对比Soft switch (LLC converter)9High efficiency9Primary MOS Zero-Voltage Switching9Secondary Rectifier Diode Zero -Current Switching & low Vf. 9High power density9Lower flux density level of transformer, smaller core size. 9Good EMI ( low dv/dt and di/dt)G d EMI(l d/dt d di/dt9Better cross regulation9Lower output ripple noise9Low thermal agitation9Cost effective9Low voltage stress on MOSFET and rectifier diode Simple Topology9LLC谐振变换器模块图谐振电感和漏感(包括初级侧漏感&次级侧漏感反射到初级并联Lm后的总和)L50%duty谐振电容和网络中的寄生电容之和LLC谐振转换器的简化AC等效电路LLC 变换器的直流特性分析基波分析法等效负载阻抗Rac推导考虑到变压器负载阻抗和变压器变比的平方成正比200228P V n R ac ∗∗=π9存在两个谐振频率Fr1&Fr2。
半桥LLC谐振变换器设计与仿真

半桥LLC谐振变换器设计与仿真[图片]其中,Vg是输入电压,Vs和Vo分别是谐振电容两端的电压以及输出电压,Lr和Cr为谐振电感和谐振电容,Lm为变压器的主磁环路电感,Cp 为逆变器开关极的电容,Rd为负载电阻。
半桥LLC谐振变换器设计的第一步是选择合适的元件参数。
参数的选择对于谐振变换器的性能有着重要影响。
例如,谐振频率在理论上可以通过调节谐振电感和谐振电容来实现,但实际上还受到变压器耦合系数和谐振电容的品质因数的影响。
为了增强电路的稳定性和输出质量,通常在变换器中加入反馈控制回路。
输出电压的稳定性可以通过调节控制回路中比例和积分参数来实现。
在进行仿真之前,设计者需要进行理论分析和计算,以确定电路中各个元件的数值。
例如,可以通过研究输入电压的波形、电流和功率等参数来确定变压器的转换比。
在进行仿真之前,设计者还要考虑到电路的损耗问题。
例如,对于变换器的损耗进行建模,可以通过研究电压、电流和功率的分布情况来确定电路的损耗情况。
接下来,设计者可以利用仿真软件进行半桥LLC谐振变换器的设计与仿真。
仿真软件可以帮助设计者验证设计的正确性,并优化电路参数。
例如,设计者可以仿真电路的响应情况,包括电压波形、电流波形和功率波形等。
通过仿真可以帮助设计者分析电路的稳定性和效率,并进行参数的调整。
最后,设计者可以通过实际搭建电路进行实验验证。
实验可以帮助设计者验证仿真结果的准确性,并评估电路的实际性能。
通过实验结果,设计者可以进一步优化电路设计,并得到最终的实际应用方案。
综上所述,半桥LLC谐振变换器的设计与仿真是一个复杂的工程过程。
设计者需要对电路的基本原理和元件参数进行深入的理解和分析,通过仿真和实验验证,不断优化设计,最终得到满足实际应用需求的最佳设计方案。
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A. Brief Review of Resonant Converters There are many resonant-converter topologies,
and they all operate in essentially the same way: A square pulse of voltage or current generated by the power switches is applied to a resonant circuit. Energy circulates in the resonant circuit, and some or all of it is then tapped off to supply the output. More detailed descriptions and discussions can be found in this topic’s references.
Among resonant converters, two basic types are the series resonant converter (SRC), shown in Fig. 1a, and the parallel resonant converter (PRC), shown in Fig. 1b. Both of these converters regulate their output voltage by changing the frequency of the driving voltage such that the impedance of the resonant circuit changes. The input voltage is split between this impedance and the load. Since the SRC works as a voltage divider between the input and the load, the DC gain of an SRC is always
Lr
Cr1
Lr
Cr
Cr2
RL
Lm RL
a. LCC configuration. b. LLC configuration.
Fig. 2. Two types of SPRC.
inductance, Lr, and the transformer’s magnetizing inductance, Lm.
Introduction
Higher efficiency, higher power density, and higher component density have become common in power-supply designs and their applications. Resonant power converters—especially those with an LLC half-bridge configuration—are receiving renewed interest because of this trend and the potential of these converters to achieve both higher switching frequencies and lower switching losses. However, designing such converters presents many challenges, among them the fact that the LLC resonant half-bridge converter performs power conversion with frequency modulation instead of pulse-width modulation, requiring a different design approach.
Topic 3
Designing an LLC Resonant Half-Bridge Power Converter
Hong Huang
Abstract
While half-bridge power stages have commonly been used for isolated, medium-power applications, converters with high-voltage inputs are often designed with resonant switching to achieve higher efficiency, an improvement that comes with added complexity but that nevertheless offers several performance benefits. This topic provides detailed information on designing a resonant half-bridge converter that uses two inductors (LL) and a capacitor (C), known as an LLC configuration. This topic also introduces a unique analysis tool called first harmonic approximation (FHA) for controlling frequency modulation. FHA is used to define circuit parameters and predict performance, which is then verified through comprehensive laboratory measurements.
This topic presents a design procedure for the LLC resonant half-bridge converter, beginning with a brief review of basic resonant-converter operation and a description of the energy-transfer function as an essential requirement for the design process. This energy-transfer function, presented as a voltage ratio or voltage-gain function, is used along with resonant-circuit parameters to describe the relationship between input voltage and output voltage. Next, a method for determining parameter values is explained. To demonstrate how a design is created, a step-by-step example is then presented for a converter with 300 W of output power, a 390VDC input, and a 12-VDC output. The topic concludes with the results of bench-tested per formance measurements.
Lr
Cr
Lr
RL
Cr
RL
a. Series resonant converter.
b. Parallel resonant converter.
Fig. 1. Basic resonant-converter
lower than 1. Under light-load conditions, the impedance of the load is very large compared to the impedance of the resonant circuit; so it becomes difficult to regulate the output, since this requires the frequency to approach infinity as the load approaches zero. Even at nominal loads, wide frequency variation is required to regulate the output when there is a large input-voltage range.
B. LCC and LLC Resonant Converters To solve these limitations, a converter
combining the series and parallel configurations, called a series-parallel resonant converter (SPRC), has been proposed. One version of this structure uses one inductor and two capacitors, or an LCC configuration, as shown in Fig. 2a. Although this combination overcomes the drawbacks of a simple SRC or PRC by embedding more resonant fre quencies, it requires two independent physical capacitors that are both large and expensive because of the high AC currents. To get similar characteristics without changing the physical com ponent count, the SPRC can be altered to use two inductors and one capacitor, forming an LLC reso nant converter (Fig. 2b). An advantage of the LLC over the LCC topology is that the two physical inductors can often be integrated into one physical component, including both the series resonant