LLC电路基本原理分析及公式推导
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。
开关电源设计 LLC
已知量
令Q=0
|
G
min
|=
(1 +
k *(x)2 k ) * ( x)2
−1
只有x是未知量
结果
f min =
fr 1+ k(1− 1 )
G2 max
f max =
fr 1+ k(1− 1 )
G min
Q = 0.95Q max =
0.95
*
k+
G2 max
k *G max
G max 2 −1
Ls
ZVS区域2的波形
f<fr 开关频率小于谐振频率 上管开通前电流由S-D流通
ZCS区域的波形
0
f<fr2 开关频率小于谐振频率 上管开通前电流由D-S流通
电流由DS流过Q2 体二极管
LLC的设计方法
已知的条件
1. 输入电压范围 2. 输出电压、电流 3. 确定需要的谐振频率 4. 额定输入、输出满载时电源工作在fr附近
2
*
Irms
_
Max
*
1
2πfrCr
=
420 2
+
IOCP
2πfrCr
实际计算步骤
4.5 输出电容的电流有效值(f=fr,24V输出)
ICo _ Rms = ⎜⎛ πIo ⎟⎞2 − Io2 = π 2 − 8 Io = 2.32 A
⎝2 2⎠
8
实际计算步骤
5. 选择器件和变压器设计 MOSFET: 满足20％裕量,电压500V，电流从发热和Coss考虑(保证
LLC设计步骤
¾LLC的基本原理 ¾LLC的设计方法 ¾LLC的几个问题
LLC的基本原理
llc变压器设计公式推导
llc变压器设计公式推导我们需要了解LLC变压器的基本原理。
LLC变压器是一种谐振变换器，由电感L、电容C和谐振电容Cres组成。
通过控制开关管的开关信号，使得LLC变压器在工作过程中能够实现能量的存储和传递。
在LLC变压器的设计中，需要确定电感L、电容C和谐振电容Cres 的数值。
接下来，我们将逐步推导LLC变压器的设计公式。
我们可以根据LLC变压器的工作原理，得到其电感L和谐振电容Cres的关系。
根据谐振电路的共振频率公式，我们可以得到：f = 1 / (2 * π * sqrt(L * Cres))其中，f为谐振频率，L为电感的数值，Cres为谐振电容的数值。
接下来，我们可以根据LLC变压器的工作原理，得到其谐振电容Cres和电容C的关系。
根据电容的串联关系，我们可以得到：1 / Cres = 1 / C + 1 / Cm其中，C为电容的数值，Cm为谐振电容的数值。
将以上两个公式结合起来，我们可以得到LLC变压器的设计公式：f = 1 / (2 * π * sqrt(L * (1 / C + 1 / Cm)))通过这个公式，我们可以根据所需的谐振频率f，计算出电感L、电容C和谐振电容Cres的数值。
在实际设计中，我们可以根据系统的要求和约束条件，选择合适的数值。
除了以上的基本设计公式，LLC变压器的设计还需要考虑其他因素，如功率因数、效率和损耗等。
在实际设计中，我们需要综合考虑这些因素，并进行必要的优化。
总结起来，LLC变压器设计公式的推导是基于其基本工作原理和电路特性的。
通过以上的推导，我们可以根据所需的谐振频率，计算出电感L、电容C和谐振电容Cres的数值。
在实际设计中，我们还需要考虑其他因素，并进行必要的优化。
LLC变压器作为一种高效率、高功率密度的变压器，其设计公式的推导对于实际应用具有重要的指导意义。
LLC集成变压器推导计算
LLC集成变压器推导计算LLC(L-L-C)集成变压器是一种绝缘变压器，由三个独立的电感器组成，分别是L1、L2和L3、它还包括两个电容器C1和C2以及一个输出变压器T。
LLC集成变压器在一些功率因数纠正电路和逆变器应用中非常常见。
在这个推导计算中，我们将使用一些基本电路理论来分析LLC集成变压器的性能。
首先，我们将定义一些符号：- Vin：输入电压- Vout：输出电压-Vc1,Vc2：分别是C1和C2的电压-IL1,IL2,IL3：分别是L1、L2和L3的电流-Io：输出电流-N1,N2：输入和输出变压器的匝数比现在，让我们开始推导计算LLC集成变压器。
1. 首先，我们可以利用电路分压原理来计算输入电压Vin与C1的电压Vc1之间的关系。
根据电路分压公式，我们可以得到以下方程：Vin = Vc1 + Vc22.接下来，我们可以利用电感器方程来计算各个电感器上的电流。
根据电感器方程，我们可以得到以下方程：Vc1 = L1 * diL1/dtVc2 = L2 * diL2/dtVout = L3 * diL3/dt3. 如果我们假设输出电流Io保持恒定，我们可以使用输出变压器的方程来计算输出电压Vout与输出电流Io之间的关系。
根据输出变压器方程，我们可以得到以下方程：Vout = N2 * Io * diL3/dt4. 最后，我们可以应用Laplace变换来得到传输函数，通过将所有未知量表示为频率域的复数变量。
通过代入以上方程，我们可以得到LLC集成变压器的传输函数：H(s) = Vout(s) / Vin(s) = (N2 * Io) / (s * (s * (L1 * L2 +L1 * L3 + L2 * L3) + (L1 + L2) * (C1 * (L1 * L2 + L1 * L3 + L2 * L3) + N2^2 * Io^2)))这个传输函数可以用于根据输入电压Vin和输出电流Io来计算LLC集成变压器的输出电压Vout。
LLC半桥谐振开关电源原理介绍与逆变电路
LLC半桥谐振开关电源原理介绍与逆变电路LLC半桥谐振开关电源（LLC Half-Bridge Resonant Switching Power Supply）是一种高效率、高性能的电力转换器，常用于工业、通信和消费电子设备中。
本文将介绍LLC半桥谐振开关电源的基本工作原理，并探讨逆变电路的应用。
一、LLC半桥谐振开关电源原理1.输入电路：输入电路通常由电源电网和整流器组成。
电源电网通常是交流电，而整流器将交流电转换为直流电，为开关转换器提供输入电源。
2.开关转换器：开关转换器是LLC半桥谐振开关电源的核心部分，负责将输入直流电转换为高频交流电，并控制输出直流电的电压和电流。
开关转换器包括两个开关和一些电容和电感元件。
-开关：开关通常是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT（绝缘栅双极性晶体管），用于控制电流的通断。
-电容和电感：电容和电感元件形成谐振电路，通过调节电容和电感的数值，可以实现电流和电压的转换。
3.输出电路：输出电路通常由滤波器和稳压器组成。
滤波器使得输出电流更加稳定，稳压器则使得输出电压恒定。
在LLC半桥谐振开关电源中，开关转换器的关键是谐振电路的设计。
通过调节电容和电感的数值，使得谐振频率与输入电流的频率相匹配，从而实现能量的高效传输。
二、逆变电路的应用逆变电路是一种将直流电转换为交流电的电力转换器。
逆变电路在很多应用中都有广泛的应用，如太阳能发电和电动车充电器等。
逆变电路有两种常见的类型：交流逆变器和直流逆变器。
1.交流逆变器：交流逆变器将直流电转换为交流电，常用于太阳能发电，将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电。
-单相交流逆变器：将单相直流电转换为单相交流电。
-三相交流逆变器：将三相直流电转换为三相交流电。
2.直流逆变器：直流逆变器将直流电转换为交流电，常用于电动车充电器等应用。
逆变电路的工作原理与LLC半桥谐振开关电源类似。
通过调节开关的通断状态，控制直流电的流动，实现交流电的输出。
LLC的工作原理
LLC半桥谐振电路的基本原理LLC谐振变换的直流特性为为零电压工作区和零电流工作区。
这种变换有两个谐振频率。
一个是Lr和Cr的谐振点，另个一个谐振点由LM,CR以及负载条件决定。
负载加重，谐振频率将会下降。
这两个谐振点的计算公式如下：考虑到尽可能提搞效率，设计电路时需把工作频率设定在FR1附件。
其中，FR1为CR,LR串联谐振腔的谐振频率。
当输入电压下降时，可以通过降低工作频率来获得较大的增益。
通过选择合适的谐振参数，可以让LLC谐振变换无论是负载变化或是输入电压变化都能工作在零电压的工作区内。
总体来说LLC半桥谐振电路的开关动作和半桥电路无异，但是由于谐振腔的加入，LLC半桥谐振电路中的上下MOS工作情况大不一样，它能实现MOS零电压开通。
其工作波形图如下：上图为理想半桥谐振电路工作波形图，图中，VGS1,VGS2分别是Q1,Q2的驱动波表，IR为谐振电感 LR电感电流波形，IM为变压器的励磁电感LM的电流波形，ID1和ID2分别是次级侧的输出整流二极管波形，IDS1则为Q1导通电流。
IDS2则为Q2导通电流.波形图根据不同工作状态被分成6个阶段，下面具体分析各个状态，LLC谐振电路工作情况：TO-T1: Q1 关断、Q2开通；这个时候谐振电感上的电流为负，方向流向Q2.在此阶段，变压器主电感不参与谐振，CR，LR组成谐振频率，输出能量来自于CR 和LR.这个阶段随着Q2关断而结束。
上图3为LLC半桥谐振电路在T0-T1工作阶段各个元器件工作状态。
T1-T2: Q1关断、Q2关断；此时为半桥电路死区时间，谐振电感上的电流仍为负，谐振电流对Q1的输出电容（COSS1)进行放电，并且对Q2的输出电容（COSS2)进行充电，直到Q2的输出电容的电压等于输入电压（VIN),为Q1下次导通创造零电压开通的条件。
由于Q1体内二极管此时处于正向偏置，而Q2的体内二极管处于反向偏置，两个电感上的电流相等。
输出电压比变压器二次侧电压高，D1\D2处于反向偏置状态，所以输出端与变压器脱离。
LLC工作原理分析
二、设计举列
2.0 设计步骤 2.1 举例
软开关简介
LLC开关管零电压开通
对于LLC而言，通常让开关管在电流为负时导通。在导通前，电流从开关管的体 内二极管流过，开关管D-S之间电压被箝位在0V（忽略二极管压降），此时开通MOS 管，可以实现零电压开通；在关断前，由于D-S间的电容电压为0v而且不能突变，因 此也近似于零电压关断。 要实现零电压开关，开关管的电压必须滞后于电流。因此必须使谐振回路始终工 作在感性状态。
fs>fR1时工作波形
当fs=fR1及fs>fR1时，励磁电感不参与谐振，其特性就是一个串联谐振的特性。
当fs>fR1时，LLC原边实现ZVS，副边实现ZCS，副边二极管工作在电流断续的状态。
fs>fR1时工作过程
在t0时刻前，Q1关断，Q2导通，谐振电流通过变压器耦合到副边，副边二极管D1关断，D2导通， 向负载传递能量。变压器两端的电压被输出箝位，励磁电流线性增大。
设计相关计算公式
举例
一、已知条件 输入电压范围：350—410Vdc 额定输入电压：395Vdc 额定输出电压：12Vdc（25A） 输出最大功率：Pout=300W 选择谐振频率：fr=115KHz 二、计算
问题讨论 一、输出电流不对称 目前知道有三种原因： 1.变压器输出两个绕组对次级的漏感不对称，可并绕解决。 2.PCB板上变压器与两整流管之间走线长度相差大，PCB排板注意。 3.驱动信号不对称，可试节驱动电路参数使其对称。
fs=fR1时工作过程
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。
随着谐振电流逐渐 增大，到t2时刻， 谐振电流为正，顺 向流过Q1，直至 Q1关断。
LLC电路基本原理分析及公式推导
LLC电路基本原理分析及公式推导LLC电路由LLC谐振电容器（C1，C2）和功率变压器（L1）组成。
当输入电压施加在谐振电容器上时，电容器开始充电。
同时，在电容器充电期间，电感器储存能量。
当电容器充电完毕后，电容器开始放电，电感器开始释放储存的能量。
由于谐振电容和电感在电路中的互连特性，电流和电压之间存在相位差，从而实现了电压和电流的变换。
在LLC电路中，我们需要推导出谐振频率和输出电压的公式。
1. 谐振频率（fr）的计算:在LLC电路中，谐振频率可以通过电感、谐振电容和输出电容的参数计算得出。
谐振频率的计算公式如下：\[f_r = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_1(C_1 + C_2)}}\]2. 输出电压（Vout）的计算:在LLC电路中，输出电压的计算是通过电感、谐振电容和输入电压的参数计算得出。
输出电压的计算公式如下：\[V_{out} = \frac{N_1}{N_2} \cdot \frac{D}{1-D} \cdotV_{in}\]其中，N1和N2分别代表输入电感和输出电感的匝数，D代表占空比，Vin代表输入电压。
在设计LLC电路时，我们需要根据应用要求确定电感、谐振电容和输入电容的参数。
1.电感（L1）的选择:电感的选择主要取决于输出功率和应用电压。
通常，较大的输出功率和较高的应用电压需要选择较大的电感。
2.谐振电容（C1和C2）的选择:谐振电容的选择需要根据设计功率和应用电压来确定。
谐振电容的选择应当满足LLC电路的谐振频率要求。
3. 输入电容（Cin）的选择:输入电容的选择要根据应用要求和电压稳定性要求来确定。
输入电容一般起到平滑输入电压的作用，可减小输入电压的波动。
综上所述，LLC电路是一种利用电感和谐振电容在电路中的特性实现电流和电压变换的电力电子转换器。
通过计算谐振频率和输出电压的公式，可以根据设定参数来设计LLC电路的电感、谐振电容和输入电容的选择。
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I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
Series-resonant LLC Half-Bridge Topology and features
Q1
Half-bridge Driver Center-tapped output with fullwave rectification (low voltage and high current)
Dead-time
Gate-drive signals
ZVS !
HB mid-point Voltage Resonant cap voltage Tank circuit current >0 Transformer currents
Magnetizing current V(D1)<0
Diode voltages I(D1)=0
Diode voltages CCM operation Output current Diode currents
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Switching details at resonance (fsw = fr1)
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Operating Sequence at resonance (Phase 6/6)
6/6
Q1 OFF Q2 ON Q1 ON Q2 OFF Q1 OFF Q2 ON Q1 Coss1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Operating Sequence at resonance (Phase 5/6)
5/6
Q1 OFF Q2 ON Q1 ON Q2 OFF Q1 OFF Q2 ON Q1 Coss1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Operating Sequence at resonance (Phase 3/6)
3/6
Q1 OFF Q2 ON Q1 ON Q2 OFF Q1 OFF Q2 ON Q1 Coss1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
Vin
Coss2 Lp Q2 D2
Vout
Q1 and Q2 are OFF (dead-time) D1 and D2 are OFF; V(D1)=VD(2)=0; transformer’s secondary is open I(Ls+Lp) charges COSS1 and discharges COSS2, until V(COSS2)=0; Q2’s body diode starts conducting I(D1) is exactly zero at Q1 switch off Phase ends when Q2 is switched on
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Waveforms above resonance (fsw > fr1)
Dead-time
Gate-drive signals
HB mid-point Voltage Resonant cap voltage Tank circuit current Magnetizing current is triangular Transformer currents Sinusoid @ f=fr1 ~ Linear portion Diode voltages CCM operation Output current Diode currents
Cr
Ls
Vin
Q2
Lp
Vout
LLC tank circuit
Preferably integrated into a single magnetic structure
Vout
3 reactive elements, 2 resonant frequencies
fr1 1 2⋅ π⋅ Ls⋅ Cr 1 2⋅ π⋅ ( Ls + Lp) ⋅ Cr
Vin
Coss2 Lp Q2 D2
Vout
Q1 is OFF, Q2 is ON D1 is OFF, D2 is ON Lp is dynamically shorted: V(Lp) =-n·Vout. Cr resonates with Ls, fr1 appears I(Ls) flows through Q2’s RDS(on) (Q2 is working in the 3rd quadrant) Output energy comes from Cr and Ls Phase ends when I(Ls)=0, Phase 1 starts
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Operating Sequence at resonance (Phase 4/6)
4/6
Q1 OFF Q2 ON Q1 ON Q2 OFF Q1 OFF Q2 ON Q1 Coss1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
Presentation Outline • LLC series-resonant Half-bridge: operation and significant waveforms • Simplified model (FHA approach) • 300W design example
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Operating Sequence at resonance (Phase 2/6)
2/6
Q1 OFF Q2 ON Q1 ON Q2 OFF Q1 OFF Q2 ON Q1 Coss1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
Simplified Analysis and Design of Seriesresonant LLC Half-bridge Converters
MLD GROUP
INDUSTRIAL & POWER CONVERSION DIVISION
Off-line SMPS BU Application LabVin源自Coss2 Lp Q2 D2
Vout
Q1 and Q2 are OFF (dead-time) D1 and D2 are OFF; V(D1)=V(D2)=0; transformer’s secondary is open I(Ls+Lp) charges COSS2 and discharges COSS1, until V(COSS2)=Vin; Q1’s body diode starts conducting, energy goes back to Vin I(D2) is exactly zero at Q2 switch off Phase ends when Q1 is switched on
Single-ended output with bridge rectifiication (high voltage and low current)
f r1 > f r2
Multi-resonant LLC tank circuit Variable frequency control Fixed 50% duty cycle for Q1 & Q2 Dead-time between LG and HG to allow MOSFET’s ZVS @ turn-on fsw ≈ fr, sinusoidal waveforms: low turn-off losses, low EMI Equal voltage & current stress for secondary rectifiers; ZCS, then no recovery losses No output choke; cost saving Integrated magnetics: both L’s can be realized with the transformer. High efficiency: >96% achievable
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Switching details above resonance (fsw > fr1)
Dead-time
Gate-drive signals
ZVS !
HB mid-point Voltage Resonant cap voltage Tank circuit current >0 Slope ~ -(Vc-n·Vout)/Ls Magnetizing current Transformer currents V(D1)<0 Diode voltages
Vin
Coss2 Lp Q2 D2
Vout
Q1 is OFF, Q2 is ON D1 is OFF, D2 is ON; V(D1)=-2·Vout Lp is dynamically shorted: V(Lp) =-n·Vout. Cr resonates with Ls, fr1 appears Output energy comes from Cr and Ls Phase ends when Q2 is switched off