開關電源的LLC諧振拓撲結構

LLC電源拓撲顧名思義該拓撲是由兩個感抗器件和一個容抗器件組成的，一個是諧振電感Lr，一個變壓器（原邊感量為Lm）和一個諧振電容Cr，三個器件串聯形成諧振腔。

加上原邊開關管和副邊整流電路，即可形成經典的開關電源中的LLC諧振拓撲的基本結構。

全橋LLC拓撲

對稱半橋LLC拓撲

非對稱半橋LLC拓撲

接下來，我們取其精華去其“糟粕”，得到如下圖結果。

采用“基波簡化法”，并將變壓器去掉，得到等效電路圖如下圖。

其中

根據該圖可以推出其增益函數：

其中

下面我們來分析分析k和Q對增益M的影響。先保持Q不變改變k值，得M的增益圖像。這里我們選擇Lr=133uF，Cr=33nF。

由該增益圖可知，k值越小，在相同的頻率下其增益M越大，同時可以看到其增益曲線相對也更陡峭，也就是意味著較窄的頻率范圍內能很好地調節輸出電壓的大小，使得變壓器容易設計，但是，我們知道k=(Lm+Lr)/Lr，也就是在保證決定諧振頻率參數Lr、Cr不變的情況下，我們只能減小Lm，這就會導致變壓器的勵磁電流加大，從而使諧振腔的環流變大，增加損耗，降低了效率和增加了溫升問題。

我們繼續分析保持K值不變，改變Q值會對增益M帶來什么影響。

可見，Q值越大，增益M越小，這個現象也可以這樣理解，我們知道Q值表達式

所以Q越大，在Lr和Cr不變的條件下，也就是負載電阻Rload越小，再從等效電路圖中可以知道Rac//Lm的分壓比值也就減小了。所以，在設計LLC的諧振參數時，必須要確保在滿載條件下的Q值滿足一定的增益M能使得輸出電壓達到設計要求。

分析這兩個波形圖，我們可以看到所有波形均有一個特點，就是他們都經過同一個點，而這個點就是（fr，1），這說明當開關頻率為諧振頻率時，LLC的增益M與負載無關。

我們做個仿真，選擇諧振電感Lr=234uH，諧振電容Cr=15nF，得諧振頻率fr=84.95kHz。

設置輸出電流0.5A，工作頻率f=fr。得輸出電壓Vout=24.7V。

設置輸出電流5A，工作頻率f=fr。得輸出電壓Vout=24.4V。

以上兩種相差10倍的輸出電流，輸出電壓僅差0.3V，這是由于器件的寄生電阻和84.95kHz只是接近于1/(2*pi*Lr*Cr)導致的。

接下來，我們在開環狀態下分析分析諧振、上諧振和下諧振時的波形情況。以下波形中波形含義。

VSW：諧振腔電壓；

Ir：諧振腔電流；

Im：變壓器勵磁電流；

Ip：傳到變壓器副邊的電流（=Ir-Im）；

VS：變壓器副邊電壓；

Is1：流過副邊整流二極管D1的電流；

IS2：流過副邊整流二極管D2的電流；

Vout：輸出電壓。

1、諧振：開關頻率fsw=fr。從仿真波形可得，原邊Ir呈標準的正弦波形，副邊二極管電流剛好下降到0時，截止導通，這就形成了二極管的“零電流”關斷，這種工作狀態下，二極管沒有反向恢復的導致的電流尖峰震蕩，使得損耗減小，以及很好地改善EMI問題。

2、上諧振：fsw>fr。從仿真波形可得，原邊Ir本是正弦波形卻被砍了一刀，也就是在較高電流條件下，關斷原邊MOS管導致較高的開關損耗，副邊二極管也不能形成了 “零電流”關斷。

3、下諧振：fsw

由于是開環狀態下進行仿真，所以上述三種工作模式下，輸出電壓不一樣。上諧振輸出電壓小于諧振點小于下諧振，這與上面所分析的增益M函數圖一致。