LLC谐振半桥的主电路设计指导
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变压器的设计
1．8．1 半桥LLC 变压器的设计第一步 计算输出电路的交流电阻。
对于谐振正弦电流，在全波桥式电路中，有效值电流为：o rms ac I I 22)(π=考虑到方波的基频分量，有效电压值：o rms ac V E 22)(π=因此，输出交流电阻表示为：L O O RMS ac RMS ac ac R I V I E R 22)()(88ππ=== 第二步 计算半桥LLC 变压器的匝比。
)(*2*)2/()*2/()()2/(d o in d o in V V D V D V V V n +=+= 由于半桥LLC 谐振变换的占空比D 为固定值近似50％，则)(2*2*)2/(d O in d o in V V V V V D V n +=+= 第三步，计算变压器副边阻抗等效到原边的阻抗。
ηπ228n R Z L pri =第四步，LLC 谐振电路的Q 值（品质因素）和k(初级电感量和谐振电感的关系)。
副边二极管导通时，谐振电路的Q 值（品质因数）：pri priOZ Cr Lr Z Z Q == r pL L k = (k 选4，3～7之间可以接受)，k 值选大，会增大频率范围，较小的k 值可以减小频率范围，但是轻载效率较低。
）第五步， 计算半桥LLC 谐振参数Lr,Cr,Lp 。
正常工作时，据经验选择k=4,Q=1。
1===pri priOZ Cr Lr Z Z Q ， 即 22228(ηπn R Z C L L pri r r == （1－142） 设谐振频率为100k ，则 k C L r r 10021=π (1-143)由1－142，1－143联立，即可算出Lr,Cr 的值。
根据4==k L L r p，即可求出Lp 的值。
第六步，计算变压器匝数，原边匝数Np ，副边匝数Ns 。
Ae B T D V Ae B t V N in in P ***)2/(**)2/(∆=∆∆=对于半桥谐振LLC 变换，占空比D 为0.5，则上式可以变成：AeB T V N in P **4*∆= 其中，B ∆为半个周期内磁芯的磁感应强度变化量（B ∆的变化与励磁电流ilm 的变化趋势一致，在半周期内磁感应强度会从－Bmax 变化到＋Bmax ，因此max 2B B=∆），Ae 为磁芯的截面积。
LLC半桥谐振电感设计
Lm = Lm_min
Lm = 650μH
Lm = Lm_max
激磁电感越大，增益越大。
实际的谐振频率选取受到增益、损耗等诸多 因素的影响，可进行变换器的损耗分析和优 化设计，获得归一化电感范围。
π2 Lr Q= 2 = 0.493 8n RL Cr
kLm Lm 4.5 Lr
选取
品质因数
MPP磁粉芯的选取
考虑到直流磁化和交流磁化下磁导率均会下降，故选择 磁导率低一级的磁芯。如图125u这种牌号的磁芯
最接近的磁芯是55310
55310的磁导率和电感因数
1000匝电感因数：
AL 90(1 8%) 106 mH
求匝数：
N Lr 50 106 604 24.6 6 3 AL 90 0.92 10 10
★计算导线尺寸 取电流密度
j = 5A/mm 2
ACu I r_rms j 1.56 2 0.312mm 5A/mm2
导线所需截面积
100°C，100kHz集肤深 度 7.65
100000
0.024cm=0.24mm
说明：由于谐振电感中流过高频 交流，不同于直流滤波电感。
★计算导线尺寸
P cV aB f
b p
c
式中a,b,c是由曲线契合度决定的常数 交流磁通摆幅的一半
B Bmax Bmin Bp 2 2
PcV 的常用单位为mW/cm3；Bp为T， f 为(kHz)。
为了方便起见厂家 把损耗特性曲线做 好，直接查找。
ARNOLD公司的产品手册
3 3 P P V 1200 1800(mW/ cm mm ) 2.16W c cV c
【必看！】半桥LLC谐振DC-DC变换器工作原理详解
【必看！】半桥LLC谐振DC-DC变换器⼯作原理详解2019作为⼀种被⼴泛应⽤在汽车交通、⼯业控制等领域的重要元件，⽬前DC-DC变换器已经发展出了多种不同的种类，其中，LLC谐振DC-DC变换器的应⽤范围⼗分⼴泛。
本⽂将会就该种类型的DC-DC变换器⼯作原理进⾏详细介绍，希望能够对各位新⼈⼯程技术⼈员的设计⼯作提供⼀些帮助。
在实际的应⽤过程中，相信很多⼯程师对于半桥LLC谐振DC-DC变换器都不会陌⽣。
这种变换器除了具有应⽤范围⾮常⼴泛之外，还具有输出功率⾼、转换效率⾼等显著特点，其主电路结构如下图图1所⽰。
LLC谐振变换器⼀般包括三部分：⽅波产⽣电路、谐振⽹络和输出电路。
图1 半桥LLC谐振变换器的主电路结构通常情况下，在变换器的设计和应⽤过程中，⽅波产⽣电路可以是半桥或全桥结构，这主要是根据功率需求来进⾏选择。
通过⾼低端开关管的交替导通，将直流输⼊转换为⽅波。
当然，为防⽌它们同时导通，LLC谐振控制器普遍会在⾼低端开关管的驱动信号之间插⼊固定或可调的死区时间。
LLC谐振DC-DC变换器的谐振⽹络由三个谐振原件构成，分别为谐振电容Cs，谐振电感Ls和激磁电感Lm。
从图1所给出的半桥LLC谐振DC-DC变换器的主电路结构图中可以看出，该电路系统由以下元件构成：两个功率MOSFETQ1、Q2，Q1和Q2的占空⽐都是0.5，采⽤固定死区的互补调频控制⽅式来进⾏控制。
图1还中分别给出了Q1和Q2的半导体⼆极管和寄⽣电容、谐振电容Cs、理想变压器、并联谐振电感Lm、串联谐振电感Ls、全桥整流⼆极管（D1、D2、D3、D4）、输出电容C0和负载R0。
在图1所⽰的半桥谐振变换器主电路系统中，当⽅波馈⼊谐振⽹络后，电流波形和电压波形将产⽣相位差。
开关损耗为流过开关管的电流与其源漏极两端的电压乘积。
此时，由于Q1、Q2在电流流过半导体⼆极管时开启，开启电压很低，所以损耗很⼩。
LLC谐振变换器电路有两个谐振频率，⼀个是谐振电感Ls和谐振电容Cs的谐振频率，⼀个是Lm加上Ls与Cs的谐振频率，即：在上⽂所提供的两个公式中，所求得的参数fr1为Cs与Ls的谐振频率，参数fr2为Cs、Ls和Lm 的谐振频率，很显然，参数fr1>fr2。
LLC谐振电路设计
LLC谐振电路设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：LLC 谐振电路设计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，如图1-1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1-1典型LLC 谐振电路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：r r r C L f π211= （1-1） ()r m r r C L L f +=π211 （1-2）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 的零电压开通。
其工作波形如图2所示：图1-2LLC工作波形示意图图中，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：1)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。
半桥LLC谐振网络变压器设计
半桥LLC谐振网络变换器原理图
一般情况下，LLC 谐振拓扑包括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。
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)
一般地最大工作频率选在峰值增益的8090之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
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。
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：
LLC设计指导-中文_PI方案
VO ICr _ rms = Irms = 8nRL
2n 4 RL2 2 + 8 π = 1.6 A 2 2 Lm fr
Vin _ Max 1 420 IOCP + 2 * Irms _ Max * = + VCr _ Max ≅ 2 2πfrCr 2 2πfrCr
实际计算步骤
4.5 输出电容的电流有效值(f=fr,24V输出)
选择次级匝数，计算初级匝数使其大于32.5T N12=2T; N24=4T Np=9.35*4=37.4>33 最终结果： Np=37T N12=2T N24=4T
可简单得到的结果
1. 变压器变比n 2. 需要的电压增益Gmax,Gmin 3. Rac；k
需要求解的量
1. Q值，由此得到Cr,Ls,Lp 2. 最小、最大开关频率
LLC的DC特性
Gmax
ZVS区域2
ZCS区域
ZVS区域1
| G ( f ) |=
k * ( x) 2 {(1 + k ) * ( x) 2 − 1}2 + {Qk ( x) * [( x) 2 − 1]}2
| G ( f ) |=
f x= fr
2πfrLs Q= RAC
k * ( x) 2 {(1 + k ) * ( x) 2 − 1}2 + {Qk ( x) * [( x) 2 − 1]}2
LLC的DC特性
ZVS区域2
ZCS区域
ZVS区域1
ZVS区域1的波形
f>fr 开关频率大于谐振频率 上管开通前电流由S-D流通
VD _ Max = 2 *VO = 2 * 24 = 48 Io 10 ID _ Avg = = = 5 A(24V ) 2 2 PD _ Conduct _ loss = VD _ Conduct _ Avg * ID _ Avg = 0.7 * 5 = 3.5W
半桥LLC谐振转换器的设计考虑
半桥LLC 谐振转换器的设计考虑谐振转换器的设计考虑及安森美半导体解决方案及安森美半导体解决方案Design considerations for a Half-Bridge LLC Resonant Converter近年来，液晶电视(LCD TV)和等离子电视(PDP TV)市场迅速增长。
这些市场及其它一些市场需要具有如下功能特色的开关电源(SMPS)：• 150 W 至600 W 的输出功率范围• 采用有源或无源PFC(由所需功率决定)• 宽度和空间有限，无散热风扇，通风条件有限• 面向竞争激烈的消费电子市场这就要求开关电源具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰(EMI)信号，而且解决方案元器件数量少、性价比高。
虽然开关电源可以采用的拓扑结构众多，但双电感加单电容(LLC)串联谐振转换器在满足这些应用要求方面拥有独特的优势。
这种拓扑结构比较适合中大尺寸液晶电视输出负载范围下工作。
通常反激式拓扑结构最适用于功率不超过70 W 、面板尺寸不超过21英寸的应用，双反激拓扑结构则适合功率介于120 W 至180 W 之间、26至32英寸的应用，而半桥LLC 则在120 W 至300 W 乃至更高功率范围下都适用，适合于从中等(26至32英寸)、较大(37英寸)和大尺寸(大于40英寸)等更宽范围的应用。
此外，在LLC 串联谐振转换器拓扑结构中，元器件数量有限，谐振储能(tank)元件能够集成到单个变压器中，因此只需要1个磁性元件。
在所有正常负载条件下，初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件。
而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作，没有反向恢复损耗。
总的来看，半桥LLC 串联谐振转换器是适用于中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和EMI 性能优异的解决方案。
半桥LLC 转换器转换器中谐振电容中谐振电容中谐振电容和谐振和谐振和谐振电感电感电感的的配置LLC 半桥转换器的构造存在着单谐振电容(C S )和分体(split)谐振电容(C S1和C S2)等不同方案。
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LLC谐振半桥的主电路设计指导
1.选择合适的功率器件：在LLC谐振半桥主电路中，有两个功率开关，通常使用MOSFET或IGBT作为功率开关器件。
在选择器件时，需要考虑其
导通和关断损耗、控制驱动要求以及电压和电流承受能力等因素。
2.设计合适的谐振电容和谐振电感：LLC谐振半桥主电路中，谐振电
容和谐振电感是实现谐振特性的核心元件。
谐振电容应该能够提供满足输
出功率要求的电流响应，而谐振电感则应该能够满足频率响应的要求。
3.进行谐振频率设计：通过选择合适的谐振电容和谐振电感，可以使
得谐振频率接近输入电源频率，以提高电路的效率。
谐振频率的设计应该
考虑输入电压范围、输出功率需求以及控制策略等因素。
4.设计合适的驱动电路：驱动电路是控制功率开关器件开关状态的关键。
在LLC谐振半桥主电路中，通常使用脉宽调制（PWM）技术来控制开
关器件的导通和关断时间。
驱动电路应能够提供足够的电流和电压来控制
功率开关器件。
5.优化电路布局和连接方式：在设计LLC谐振半桥主电路时，需要合
理布局电路元件，使其互相之间的电磁干扰降到最低。
同时，应采用合适
的连接方式，减少连接线的电阻和电感，提高电路的效率和稳定性。
6.进行适当的保护设计：在设计LLC谐振半桥主电路时，应考虑各种
短路、过流、过压和过温等异常情况，并采取适当的保护措施，例如过流
保护、过压保护、过温保护和短路保护等，以提高系统的可靠性和安全性。
总结起来，设计LLC谐振半桥主电路需要综合考虑功率器件的选择、
谐振电容和谐振电感的设计、驱动电路的设计、电路布局和连接方式的优
化以及合适的保护设计等方面。
通过合理的设计和优化，可以提高LLC谐
振半桥主电路的效率、稳定性和可靠性，实现高性能的直流到交流电源转换。