LLC电路基本原理分析及公式推导(ST)
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原理(台达公司内部详细培训资料)
LLC 半桥谐振电路中，根据这个谐振电容的不同联结方式，典型LLC 谐振电路有两种连接方式，如下图1所示。
不同之处在于LLC 谐振腔的连接，左图采用单谐振电容（Cr ），其输入电流纹波和电流有效值较高，但布线简单，成本相对较低；右图采用分体谐振电容（C1, C2），其输入电流纹波和电流有效值较低，C1和C2上分别只流过一半的有效值电流，且电容量仅为左图单谐振电容的一半。
图2-1 典型电路Fig.2-1 Tipical Circuit2.2 LLC 半桥谐振电路基本原理LLC 谐振变换的直流特性分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，另外一个谐振点由Lm, Cr 以及负载条件决定。
负载加重，谐振频率将会升高。
这两个谐振点的计算公式如下： rr r1C L 2π1f =rr mr2)C L (L2π1f +=公式2-1考虑到尽可能提高效率，设计电路时需把工作频率设定在fr1附近。
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工作区。
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MOSFET 工作情况大不一样，它能实现MOSFET零电压开通。
其工作波形图如下： 图2-2 工作波形示意图Fig.2-2 Operation Waveform上图为理想半桥谐振电路工作波形图；图中，Vgs1和Vgs2分别是Q1、Q2的驱动波形，Ir为谐振电感Lr电感电流波形，Im为变压器漏感Lm电流波形，Id1和Id2分别是次级侧输出整流二级管波形，Ids1则为Q1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： ?T0~ 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。
LLC谐振半桥工作原理(LLC变压器计算公式)
目录引言一、 LLC谐振变换器原理 (2)二、LLC谐振腔之元件设计 (3)三、L6598\L6599芯片资料......................................................................错误！未定义书签。
1、L6599 芯片介绍...............................................................................................错误！未定义书签。
2、芯片与典型方框图 (5)3、PIN脚功能 (5)4、典型电源系统图 (6)5、振荡器 (7)6、工作在轻载或无载时 (8)四、 L6599的工作流程1、L6599供电回路 (8)2、L6599的启动 (9)3、L6599稳压原理 (10)4、L6599的SCP保护及次级OCP保护 (11)附：过流延时保护电路 (12)引言随着开关电源的发展，软开关技术得到了广泛的发展和应用，已研究出了不少高效率的电路拓扑，主要为谐振型的软开关拓扑和PWM型的软开关拓扑。
近几年来，随着半导体器件制造技术的发展，开关管的导通电阻，寄生电容和反向恢复时间越来越小了，这为谐振变换器的发展提供了又一次机遇。
对于谐振变换器来说，如果设计得当，能实现软开关变换，从而使得开关电源具有较高的效率。
LLC谐振变换器实际上来源于不对称半桥电路，后者用调宽型(PWM)控制，而LLC谐振是调频型（PFM）。
一、LLC谐振变换器原理图一、LLC谐振原理图图二、LLC谐振波形图图一和图二分别给出了LLC 谐振变换器的电路图和工作波形。
图一中包括两个功率MOSFET （S1和S2），其占空比都为0.5；谐振电容Cs，副边匝数相等的中心抽头变压器Tr，Tr 的漏感Ls，激磁电感Lm，Lm 在某个时间段也是一个谐振电感，因此，在LLC 谐振变换器中的谐振元件主要由以上3个谐振元件构成，即谐振电容Cs，电感Ls 和激磁电感Lm；半桥全波整流二极管D1和D2，输出电容Cf。
三电平全桥LLC电路原理详解
三电平全桥LLC电路原理详解三相模块的母线电压可以达到800V，如果（DC）DC仍然采用传统的两电平拓扑，那么DC MOS管必须采用1200V耐压的MOS管。
而目前市场上这样的MOS管型号非常少，而且很贵。
如果采用三电平拓扑，就可以继续采用600V的MOS管了，型号丰富，成本也低。
三电平PWM控制已经得到了成熟应用，但是传统的PWM拓扑整体效率低，所以在三电平的基础上，又采用了LLC拓扑，该拓扑从成本、效率等方面都得到了很好的兼顾。
三电平全桥LLC主电路拓扑电路说明：1、谐振电感和谐振（电容）做成两边平衡的方式，是因为项目组在实验过程中发现如果是单Lr, Cr模式，MOS驱动（信号）容易受干扰，拆成两边对称放置以后，驱动可靠性提高；三电平全桥LLC电路拓扑示意图如图（图五‑3）所示，有8个开关管S1～S8，需要8路驱动信号来完成PFM（调频）、PWM（调宽）控制，S1～S8对应的高精度驱动信号编号为PWM1～PWM8。
注：PWM并不单指控制策略采用PWM方式时的开关信号，也包括PFM方式时的开关信号。
三电平LLC电路拓扑框图在此三电平LLC电路控制中，设计8路驱动信号PWM1～PWM8，从（图五‑4）的发波时序图来看，这8路驱动有下面的关系：1) PWM1和PWM4，PWM2和PWM3，PWM5和PWM8，PWM6和PWM7相位互补（不考虑死区时间Td2和提前关断时间Td1）；2) PWM1比PWM2提前Td1关断，PWM4比PWM3提前Td1关断，PWM5比PWM6提前Td1关断，PWM8比PWM7提前Td1关断；根据控制策略需要，PWM1～PWM8可以实现高精度PFM/PWM/PSM（或者同时实现其中两个状态，如PFM+PWM），在三种控制状态（PFM/PSM/PWM）下PWM1～PWM8在一个开关周期内的输出波形如图（图五‑4）所示，以高电平（或者为低电平）为有效电平，当PWMx（x=1～8）为高时通过相应的（驱动电路）使得Sx 导通，当PWMx为低时通过相应的驱动电路使得Sx断开。
LLC原理分析ppt课件
k LP LS
7
DC/DC 变换vs. K
V oltage G ain G dc V oltage G ain G dc
4
3
Q =0.3
K =1
3
0.5
2
1
1
2
Q =0.3
K =2
2
0.5
1
1
2
4 4
0
0
1
2
N orm alized Frequency f/fs
00
0.5
1
1.5
2
N orm alized Frequency f/fs
5
LLC电路特性
•MOSFETs ZVS 开通. •MOSFET t3和t6时刻关断时，电流远小于负载电流，所以能减小 关断损耗。 •副边二极管零电流关断，几乎没有反向恢复过程。 •LLC电路的开关损耗非常小，故工作频率可以设计的很高。.
6
LLC电路等效模型
CS LS
ir
ip1
iL P
E in
LP
10
直流特性
•工作区域可分为两个: ZCS 和ZVS。 •当开关频率比f1高时，变换器总是工作在ZVS条件下。 •当开关频率比f2低时，变换器总是工作在ZCS条件下。 •当开关频率在f1和f2之间时，负载将决定电路在哪个区域。 •工作在f1和f2之间时，开关损耗低。
11
LLC 电路总结
•在整个负载范围内均可实现ZVS和低的MOSFET关断电流，所以变换 器的开关损耗很小。 •电路在输入电压最高时效率最高。故能够在正常工作条件下优化电路。 •由于没有二次侧滤波电感，故副边二极管的电压应力小。
Eo
R ac
Rac
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。
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。
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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
Simplified Analysis and Design of Seriesresonant LLC Half-bridge Converters
MLD GROUP
INDUSTRIAL & POWER CONVERSION DIVISION
Off-line SMPS BU Application Lab
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 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
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
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
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
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
ZCS !
Diode currents
I&PC Div. - Off-line SMPS Appl. Lab
LLC Resonant Half-bridge Operating Sequence at resonance (Phase 1/6)
1/6
Q1 OFF Q2 ON Q1 ON Q2 OFF Q1 OFF Q2 ON Q1 Coss1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
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
Vin
Coss2 Lp Q2 D2
Vout
Q1 is ON, Q2 is OFF D1 is ON, D2 is OFF; V(D2)=-2·Vout Lp is dynamically shorted: V(Lp) = n·Vout. Cr resonates with Ls, fr1 appears I(Ls) flows through Q1’s RDS(on) back to Vin (Q1 is working in the 3rd quadrant) Phase ends when I(Ls)=0
Vin
Coss2 Lp Q2 D2
Vout
Q1 is ON, Q2 is OFF D1 is ON, D2 is OFF; V(D2)=-2·Vout Lp is dynamically shorted: V(Lp) = n·Vout. Cr resonates with Ls, fr1 appears I(Ls) flows through Q1’s RDS(on) from Vin to ground Energy is taken from Vin and goes to Vout Phase ends when Q1 is switched off
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
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
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 Operating Sequence at resonance (Phase 3/6)
3/6
Q1 OFF Q2 ON 1 Cr Ls n:1:1 D1 Cout
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