LLC諧振電路的拓撲結構與電路模擬

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                            <div class="up-time" style="left: 138.025px; display: none;"><span>最後釋出：2018-09-15 15:25:36</span><span>首次釋出：2018-09-15 15:25:36</span></div>
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                            版權宣告：本文為博主原創文章，遵循<a href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/" target="_blank" rel="noopener"> CC 4.0 BY-SA </a>版權協議，轉載請附上原文出處連結和本宣告。                            </div>
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                            本文連結：<a href="https://blog.csdn.net/qq_27158179/article/details/82713818">https://blog.csdn.net/qq_27158179/article/details/82713818</a>
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                                        <p id="main-toc"><strong>目錄</strong></p>

1、半橋LLC諧振電路

1.1 半橋LLC諧振電路的工作模態

1.2 電路模擬

2、全橋LLC

2.1 全橋LLC的工作模態

2.1.1 第一個頻段：

2.1.2 第三個頻段：

2.2 模擬

3. 半橋LLC+同步整流

3.1 模擬

本週真像是要量產小文章啊……

今天接觸了一下LLC諧振電路。LLC諧振電路中，主要分為半橋諧振和全橋諧振。而副邊分為不可控整流和同步整流。全橋是指H橋，具有4個可控開關。半橋是隻有H橋的一般，只有2個可控開關。同步整流主要是指，都用內建二極體的MOS管替代二極體。二極體普遍具有0.7V或者0.3V的標準導通壓降，電流增大，導通壓降也會隨著增大。而MOS管，導通電阻是毫歐等級的，導通壓降等於電流乘以導通電阻，很小。用同步整流的方式，可降低二極體損耗、提高電源轉換效率。

1、半橋LLC諧振電路

半橋LLC諧振電路拓撲結構如下：

電路中，可控MOS管Q1和Q2串聯，組成半橋。每個MOS管，都內建有方向並聯二極體、同時在漏極和源極有一個等效電容（其實高頻特性下，MOS管的每個引腳之間都有一個等效電容）。電容Cr和電感Lr、和變壓器T1的原邊電感Lm構成了一個LLC諧振電路。變壓器T1的副邊，經過二極體D1和二極體D2，整流後得到為負載供電。電容Cout主要起濾波作用。

諧振原理：

可得到

繪製出傳遞函式的波特圖。

MATLAB中執行：

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

可得到下面的波特圖：

可見在諧振頻率點處，LLC的增益達到了137dB。只有在諧振點附近，增益為正數。離諧振點較遠的頻率都有抑制作用。因次，控制半橋的可控管，LLC電路工作在諧振點，電路輸出最有最大電壓；若控制半橋的可控矽，讓LLC電路工作頻率遠離諧振點，可讓LLC輸出的電壓降低。

1.1 半橋LLC諧振電路的工作模態

設、、諧振的頻率為，則

設和的諧振頻率為，則

用PWM波控制LLC中的半橋，通常使用佔空比為50%的PWM波。採用改變頻率的方式，控制LLC的輸出電壓。

設開關頻率為。LLC電路分為三種情況。第一種是。第二種是，第三種是f_r" class="mathcode" src="https://private.codecogs.com/gif.latex?f_s%3Ef_r">。

以為例，介紹本電路的工作模態（找了幾篇參考論文，都沒把各種工作頻率下的工作模態介紹完全）。

1.2 電路模擬

在PSIM軟體中對電路進行了模擬。

模擬步長Time step = 1e-7；模擬總時間total time = 0.1；

LLC中，Lr=20uH；Lm=20uH；Cr=0.1uF；負載側濾波電容Cout=4700uF；負載電阻為120歐姆。

閉環控制比較難模擬，邏輯較複雜因此，先做開環控制的模擬。通過自行改變三角波的頻率，觀察輸出電壓的變化。

Fs=80K：

Fs=100KHz：

Fs = 112539Hz:

Fs=130KHz：

Fs=160KHz

模擬結果顯示，三角載波由80KHz下降到160K，輸出電壓也呈現下降趨勢。

2、全橋LLC

全橋LLC的拓撲結構如下：

和上面半橋LLC的區別是，諧振電路的輸入端是一個H橋全橋電路。

2.1 全橋LLC的工作模態

全橋LLC電路同樣分為三種情況。第一個頻段是。第二個頻段是，第三個頻段是f_r" class="mathcode" src="https://private.codecogs.com/gif.latex?f_s%3Ef_r">。詳見參考文獻[1]。

2.1.1 第一個頻段：

主要器件的訊號波形如下：

2.1.2 第三個頻段f_r" class="mathcode" src="https://private.codecogs.com/gif.latex?f_s%3Ef_r">：

主要器件的訊號波形如下：

時在這裡不介紹了。

2.2 模擬

同樣，模擬軟體使用PSIM9.0

開關頻率80KHz：

開關頻率100KHz：

開關頻率120KHz：

開關頻率170KHz：

開關頻率200KHz：

開關頻率230KHz：

模擬結果顯示，三角載波由80KHz下降到250K，輸出電壓也呈現下降趨勢。

3. 半橋LLC+同步整流

拓撲如下：

在參考文獻[2]中，設計的伺服器電源的LLC拓撲就是本拓撲。全橋拓撲中，變壓器的原邊電路中，電容C2和二極體D2都是MOS管Q2所內建的；電容C4和二極體D4都是MOS管Q4所內建的。

本拓撲中的變壓器原邊中，使用了兩個諧振電容和兩個二極體，分別替代全橋LLC中的MOS管Q2和MOS管Q4。

同時，本拓撲中，變壓器的副邊，比傳統的LLC拓撲，移動了一下元器件的位置。並採用同步整流以降低二極體的開關損耗。

參考文獻[2]中介紹大的是一款效率符合Titanium（鈦金級）標準的電源。但是沒具體介紹微控制器實現的方式。另外找到了一款符合Platinum（鉑金級）標準的電源請見參考文獻[3]。主要是後者這款，具有部分數字化邏輯框圖。

電路的硬體連線方式如下圖：

所需要採集的訊號量為：1、諧振電感的電流；2、負載電壓；3、負載電流；4、變壓器中心抽頭的電壓。

3.1 模擬

先做開環模擬驗證系統是否可行：

模擬步長Time step = 1e-7；模擬總時間total time = 0.1；

LLC中，Lr=20uH；Lm=20uH；兩個都是Cr=0.1uF；負載側PI型濾波器中，兩個濾波電容C=470uF，濾波電感20uH；負載電阻為120歐姆。

輸出電壓：

參考文獻1：LLC諧振變換器在電力電子變壓器中的應用研究_陸玉

參考資料2：《Infineon-ApplicationNote_EvaluationBoard_EVAL_1K6W_PSU_G7_DD-AN-v01_01-EN.pdf》跳轉頁面

參考資料3：《Infineon-Application_note_evaluation_board_EVAL_800W_PSU_3P_P7-AN-v01_00-EN.pdf》跳轉頁面