LLC谐振电路的拓扑结构与电路仿真_llc拓扑

目录

1、半桥LLC谐振电路

1.1 半桥LLC谐振电路的工作模态

1.2 电路仿真

2、全桥LLC

2.1 全桥LLC的工作模态

2.1.1 第一个频段：

2.1.2 第三个频段：

2.2 仿真

3. 半桥LLC+同步整流

3.1 仿真

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本周真像是要量产小文章啊……

今天接触了一下LLC谐振电路。LLC谐振电路中，主要分为半桥谐振和全桥谐振。而副边分为不可控整流和同步整流。全桥是指H桥，具有4个可控开关。半桥是只有H桥的一般，只有2个可控开关。同步整流主要是指，都用内置二极管的MOS管替代二极管。二极管普遍具有0.7V或者0.3V的标准导通压降，电流增大，导通压降也会随着增大。而MOS管，导通电阻是毫欧等级的，导通压降等于电流乘以导通电阻，很小。用同步整流的方式，可降低二极管损耗、提高电源转换效率。

1、半桥LLC谐振电路

半桥LLC谐振电路拓扑结构如下：

电路中，可控MOS管Q1和Q2串联，组成半桥。每个MOS管，都内置有方向并联二极管、同时在漏极和源极有一个等效电容（其实高频特性下，MOS管的每个引脚之间都有一个等效电容）。电容Cr和电感Lr、和变压器T1的原边电感Lm构成了一个LLC谐振电路。变压器T1的副边，经过二极管D1和二极管D2，整流后得到为负载供电。电容Cout主要起滤波作用。

谐振原理：

可得到

$V_o=\frac{L_mC_rs^{2}}{\left ( L_m+L_r \right )C_rs^{2}+1}V_i$

绘制出传递函数的波特图。

MATLAB中运行：

Lr = 20e-6;
Lm=20e-6;
Cr=0.1e-6;
y1= tf([Lm*Cr,0,0],[Cr*(Lr+Lm),0,1])
[MAG, PHASE,W] = bode(y1);
bode(y1)
grid on

可得到下面的波特图：

可见在谐振频率点处，LLC的增益达到了137dB。只有在谐振点附近，增益为正数。离谐振点较远的频率都有抑制作用。因次，控制半桥的可控管，LLC电路工作在谐振点，电路输出最有最大电压；若控制半桥的可控硅，让LLC电路工作频率远离谐振点，可让LLC输出的电压降低。

波特图中横轴是角频率，谐振频率处角频率是5e5，频率为角频率除以2pi，即约80KHz。

 

1.1 半桥LLC谐振电路的工作模态

设$L_r$、$L_m$、$C_r$谐振的频率为$f_m$，则$f_m=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_r\left ( L_r+L_m \right )}}$

设$L_r$和$C_r$的谐振频率为$f_r$，则$f_m=\frac{1}{2\pi \sqrt{C_r L_r )}}$

用PWM波控制LLC中的半桥，通常使用占空比为50%的PWM波。采用改变频率的方式，控制LLC的输出电压。

设开关频率为$f_s$。LLC电路分为三种情况。第一种是$f_m<f_s<f_r$。第二种是$f_s=f_r$，第三种是$f_s>f_r$。

以$f_m<f_s<f_r$为例，介绍本电路的工作模态（找了几篇参考论文，都没把各种工作频率下的工作模态介绍完全）。

1.2 电路仿真

在PSIM软件中对电路进行了仿真。

仿真步长Time step = 1e-7；仿真总时间total time = 0.1；

LLC中，Lr=20uH；Lm=20uH；Cr=0.1uF；负载侧滤波电容Cout=4700uF；负载电阻为120欧姆。

闭环控制比较难仿真，逻辑较复杂因此，先做开环控制的仿真。通过自行改变三角波的频率，观察输出电压的变化。

Fs=80K：

Fs=100KHz：

Fs = 112539Hz:

Fs=130KHz：

 

Fs=160KHz

仿真结果显示，三角载波由80KHz上升到160K，输出电压呈现下降趋势。

 

 

2、全桥LLC

全桥LLC的拓扑结构如下：

和上面半桥LLC的区别是，谐振电路的输入端是一个H桥全桥电路。

2.1 全桥LLC的工作模态

全桥LLC电路同样分为三种情况。第一个频段是$f_m<f_s<f_r$。第二个频段是$f_s=f_r$，第三个频段是$f_s>f_r$。详见参考文献[1]。

2.1.1 第一个频段$f_m<f_s<f_r$：

主要器件的信号波形如下：

 

 

 

 

2.1.2 第三个频段$f_s>f_r$：

主要器件的信号波形如下：

 

 

 

$f_s=f_r$时在这里不介绍了。

2.2 仿真

同样，仿真软件使用PSIM9.0

开关频率80KHz：

开关频率100KHz：

开关频率120KHz：

开关频率170KHz：

开关频率200KHz：

开关频率230KHz：

仿真结果显示，三角载波由80KHz上升到250K，输出电压呈现下降趋势。

 

3. 半桥LLC+同步整流

拓扑如下：

在参考文献[2]中，设计的服务器电源的LLC拓扑就是本拓扑。全桥拓扑中，变压器的原边电路中，电容C2和二极管D2都是MOS管Q2所内置的；电容C4和二极管D4都是MOS管Q4所内置的。

本拓扑中的变压器原边中，使用了两个谐振电容和两个二极管，分别替代全桥LLC中的MOS管Q2和MOS管Q4。

同时，本拓扑中，变压器的副边，比传统的LLC拓扑，移动了一下元器件的位置。并采用同步整流以降低二极管的开关损耗。

参考文献[2]中介绍大的是一款效率符合Titanium（钛金级）标准的电源。但是没具体介绍单片机实现的方式。另外找到了一款符合Platinum（铂金级）标准的电源请见参考文献[3]。主要是后者这款，具有部分数字化逻辑框图。

电路的硬件连接方式如下图：

所需要采集的信号量为：1、谐振电感的电流；2、负载电压；3、负载电流；4、变压器中心抽头的电压。

 

3.1 仿真

先做开环仿真验证系统是否可行：

仿真步长Time step = 1e-7；仿真总时间total time = 0.1；

LLC中，Lr=20uH；Lm=20uH；两个都是Cr=0.1uF；负载侧PI型滤波器中，两个滤波电容C=470uF，滤波电感20uH；负载电阻为120欧姆。

输出电压：

 

 

 

 

参考文献1：LLC谐振变换器在电力电子变压器中的应用研究_陆玉

参考资料2：《Infineon-ApplicationNote_EvaluationBoard_EVAL_1K6W_PSU_G7_DD-AN-v01_01-EN.pdf》跳转页面

参考资料3：《Infineon-Application_note_evaluation_board_EVAL_800W_PSU_3P_P7-AN-v01_00-EN.pdf》跳转页面