LLC谐振半桥电路分析与设计

基于半桥LLC谐振变换器的多路输出辅助电源设计

摘要：根据辅助电源高可靠性、高稳定性、低电磁干扰的要求，详细介绍了基于半桥LLC谐振变换器的多路输出辅助电源关键参数以及驱动和启动电路设计，主电路采用零电压准谐振变换器控制芯片UC3863控制。实验结果验证了设计的正确性。

关键词：辅助电源；LLC谐振变换器；UC3863

O 引言

随着电力电子技术的发展，稳定、可靠、低EMI成为对辅助电源最基本的要求。本文详细介绍了一种多路输出，而且相互独立的新型辅助电源的设计方法。

设计采用AC/DC-AC/DC的变换方案。不控整流后的直流电压经过半桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后通过整流输出直流电压。为了满足对辅助电源的要求，系统主要由基于半桥LLC的谐振变换器，交流母线和全波整流组成。主电路采用零电压准谐振变换器控制芯片UC3863控制。

l 主电路及其控制电路

根据辅助电源的一些特点，对电路拓扑有着以下的要求：

(1)高稳定性，对输入电压的变化不敏感，也就是能适应较宽的输入电压范围；

(2)高效率，能把效率做到90％以上，所有开关器件及二极管都实现软开关，在可以稳定的输出电压的同时，还要具有较低的EMI，对主电路不产生干扰。

从文献的半桥LLC谐振电路工作过程和原理分析中可以看出，半桥结构的LLC谐振变换器在输入电压低时效率较低，在输入电压高时效率较高。这与传统的PWM变换器止好相反，由于有这样的效率特性，LLC谐振变换器输入范围可以很宽，这符台前端变换拓扑选择的第一个要求。

与传统的串联谐振变换器不同，LLC谐振变换器的变压器的漏感Lm参与谐振过程，开关频率可以低于LC的本征谐振频率，而且只需要高于LLC的本征谐振频率便可以实现主开关的零电压开通，实现软开关特性，符合前端变换拓扑选择的软开关要求。

基于上述优点，选择半桥结构的LLC谐振变换器作为该辅助电源前级变换器的拓扑。

LLC谐振半桥电路分析与设计

1.高效率：由于LLC谐振拓扑的特殊结构和谐振特性，可以在高频率下实现高效率的能量转换。谐振拓扑减少了开关损耗，提高了能量传输的效率。

2.低损耗：LLC谐振拓扑通过谐振实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），减少了开关器件的损耗，延长了开关器件的寿命。

3.宽输入电压范围：LLC谐振半桥电路适用于宽输入电压范围的应用。通过合理设计电感和电容参数，可以实现对输入电压的自适应调整。

4.低EMI：LLC谐振拓扑由于其特殊的谐振结构，对电磁干扰（EMI）敏感度低，可以减少电磁干扰的产生。

在设计LLC谐振半桥电路时，需要注意以下几个关键问题：

1.谐振频率的选择：谐振频率的选择要考虑到开关器件的特性和功率转换效率的要求。一般来说，选择尽可能高的谐振频率以提高效率，但也要考虑到开关器件的开关速度和损耗。

2.电感电容参数的设计：电感和电容的参数设计要满足谐振频率的要求并达到最佳效果。通常情况下，选择较大的电感和电容可以减少开关损耗和提高效率。

3.变压器的设计：变压器作为LLC谐振半桥电路的核心部分，需要合理设计变压器参数、磁芯材料和绕线方式等。变压器的设计要满足功率传输需求、电压和电流的匹配以及尽可能减小损耗和体积。

4.控制策略的选择：LLC谐振半桥电路的控制策略主要包括电压控制和电流控制两种方式。电压控制一般应用于输出电压稳定的场合，而电流控制则适用于输出电流稳定的应用。根据具体的应用需求选择合适的控制策略。

总之，LLC谐振半桥电路是一种应用广泛且高效的电源拓扑结构，在高功率转换器设计中得到了广泛的应用。在设计与分析时，需要注意谐振频率的选择、电感电容参数的设计、变压器设计以及控制策略的选择等关键问题。

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一、简介

在传统的开关电源中，通常采用磁性元件实现滤波，能量储存和传输。开关器件的工作频率越高，磁性元件的

尺寸就可以越小，电源装置的小型化、轻量化和低成本化就越容易实现。但是，开关频率提高会相应的提升开关器件的开关损耗，因此软开关技术应运而生。

要实现理想的软开关，最好的情况是使开关在电压和电流同时为零时关断和开通(ZVS，ZCS)，这样损耗才会真正为零。要实现这个目标，必须采用谐振技术。

二、LLC串联谐振电路

根据电路原理，电感电容串联或并联可以构成谐振电路，使得在电源为直流电源时，电路中得电流按照正弦规

律变化。由于电流或电压按正弦规律变化，存在过零点，如果此时开关器件开通或关断，产生的损耗就为零。下边就分析目前所使用的LLC谐振半桥电路。基本电路如下图所示：

A

图2.1 LLC谐振半桥电路

其中Cr，Lr，Lm构成谐振腔（Resonant tank），即所谓的LLC，Cr起隔直电容的作用，同时平衡变压器磁通，防止饱和。

. .可修编. . 2.1 LLC电路特征

（1）变频控制

（2）固定占空比50％

（3）在开关管轮替导通之间存在死区时间（Dead Time），因此Mosfet可以零电压开通（ZVS）,二次侧Diode可以零点流关断，因此二极管恢复损耗很小

（4）高效率，可以达到92％+

（5）较小的输出涟波，较好的EMI

2.2方波的傅立叶展开

对于图2.1的半桥控制电路，Q1,Q2在一个周期内交替导通，即占空比为50％。所以VA为方波，幅值等于Vin，其傅立叶级数展开为

公式1

LLC谐振半桥的主电路设计指导

LLC谐振半桥是一种常用于高频开关电源设计中的电路拓扑结构，具有高效、高稳定性和低电磁干扰等优点。在设计LLC谐振半桥的主电路时，需要考虑电路拓扑、元器件选型、谐振网络设计等多个方面。下面是LLC谐振半桥的主电路设计指导。

1.电路拓扑选择：

在设计LLC谐振半桥的主电路时，首先需要选择合适的电路拓扑结构。常用的拓扑结构有两种：基本LLC谐振半桥电路和降压型LLC谐振半桥电路。基本LLC谐振半桥电路适用于输出电压较高的应用，而降压型LLC谐振半桥电路适合输出电压较低的应用。

2.元器件选型：

在选择元器件时，需要考虑电源的输入电压和输出功率等参数。选取合适的功率开关器件是关键，常用的器件有MOSFET和IGBT等。此外，还需要选择适当的谐振电感、谐振电容和谐振电容的串联电阻等元器件。

3.谐振网络设计：

设计LLC谐振半桥的主电路时，谐振网络的设计非常重要。在设计过程中，需要根据输入电压和输出功率来确定合适的谐振频率。同时，需要设计合适的谐振电感和谐振电容，使其能够满足电路的谐振需求，并保证系统的稳定性。另外，还需要考虑谐振电容的串联电阻，以防止谐振过程中的过电压和过电流问题。

4.控制电路设计： 在LLC谐振半桥电路中，控制电路起着重要的作用。控制电路需要能够实时监测输入电压、输出电压和输出功率等参数，并通过合适的控制方式来实现电流和电压的自适应调节。控制电路还需要能够实现各种保护功能，如过压保护、过流保护和温度保护等。

5.热管理：

由于LLC谐振半桥电路在高功率情况下会产生较大的热量，因此热管理是必要的。可以通过散热器、风扇等方式来有效降低电路温度，保证系统的稳定性和可靠性。

总结：

LLC谐振半桥的主电路设计需要综合考虑电路拓扑结构、元器件选型、谐振网络设计、控制电路设计和热管理等多个方面。在设计过程中，需要根据具体的要求和参数进行合理的选择和设计，以确保系统的高效运行和稳定性。