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半桥
LLC
谐振变换器的建模及仿真研究
吴张勇
陈小鹏
于建阁
齐立鹏
（浙江师范大学数理与信息工程学院
金华
321004
）
摘要
：
近些年来，由于
LLC
谐振
变换器具有开关损耗小，功率密度高等优点受到广大工程师的青睐。本文
介绍了半桥型<
/p>
LLC
谐振变换器拓扑的工作原理，
通过
基波等效模型分析了电路的直流增益特性，
利用
Matlab<
/p>
软件绘出了其直流增益曲线，并以此增益曲线为依据讨论了各参数对
LLC
谐振变换器的影响，以
24V/192W
电源为例计算出了
LLC
谐振变换器的变压器匝比、
谐振电感、谐振电容和励磁电感等参数。最后，我们用
Saber
软件进行仿真，通过更改一些参数的方法验证了上述理论分析的正确性。
关键词
：
LLC
谐振变换
器；建模分析；高功率密度；
Saber
仿真
< br>
中图分类号
：
N945.12
文献标识码
：
A
Modeling and
Simulation Analysis of Half-bridge LLC Resonant
Converter
WU Zhangyong
CHEN xiaopeng
YU jiange
QI
lipeng
(College of
Mathematics
，
Physics and
Information
Engineering
，
Zhejiang Normal
University
，
Jinhua 321004
，
China
）
Abstract:
In
recent
years,
the
LLC
resonant
converter
with
a
small
switching
loss,
high
power
density advantage is favored by the
majority of engineers of all uction was made to
the
working
principle
of
topology
for
the
half-bridge
LLC
resonant
converter
in
this
paper,through
fundamental
analysis of the circuit equivalent model of the DC
gain characteristics use of Matlab
software plots the DC gain curve, and
as a basis for discussion of the various
parameters on the
impact
of
LLC
resonant
converter,
for
example
to
24V/192W
calculate
the
LLC
resonant
converter
transformer
turns
ratio,
resonant
inductor,
resonant
capacitor
and
the
magnetizing
inductance
and
other
y,
we
use
the
Saber
simulation
software,
verified
the
correctness of the
theoretical analysis by changing the parameters.
Keywords:
LLC resonant
converter;Modeling and analysis; high power
density; Saber
Simulation
0
引言
从技术上看，几十年来推动电力
电子技术水平不断提高的主要标志是高频化、高效率、
高功率密度等
。为了增加功率密度，必须实现高频化，即提高开关频率，但又要同时提高
变换器的
效率，
就必须减小开关损耗，
谐振变换器正是由于其开关损耗小
等优点得到了广泛
的应用。
LLC
谐振
变换器理论上可实现初级开关管零电压开通
(ZVS)
，且关断
电流较小，次
级整流管可实现零电流开断
(ZCS)
的特点
，它既吸取串联谐振变换器谐振槽路电流随负载
轻重而变化，
轻载时效率较高的优点，
又兼具并联谐振变换
器在空载下也能稳定工作。
因此，
LLC
谐振变换器是一种比较理想的谐振变换器拓扑，
对其研究具有重要的理论意义和实用价
值
。
[3]
[2]
[1]
1
原理概述
项目来源
:
浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）
( 2011)
资助
半桥
LLC
谐振变换器拓扑结构如图
< br>1
所示，谐振回路由谐振电感
L
s
(
串联电感
)
和励磁
电感
L
p
（并联电感
)
以及一个谐振电容
C
s
串联组成，变换器由该三元件组成，也由此而得
名。
Ds1
C1
+
-
S1
Vin
Ds2
S2
Cs
Ls
n:1:1
D1
+
Co
RL
C2
Lp
D2
-
Uo
图
1
半桥
LLC
谐振变换器拓扑结构
LLC
谐振变换器有两个谐振频率
,
一个是由
L
s
和
C
s
串联谐振
f<
/p>
s
决定
,
此时并
联电感
L
p
上的电压被输出电压箝位，
不参与谐振；另一个由
C
s
、
L
s
、和
L
p
三者的并联谐振
f<
/p>
p
决
定。即：
f
s
?
1
1
f
p
?
2
?
L
s
C
s
2
?
(
L
s
?
< br>L
p
)
C
s
半桥
LLC
谐振变换器在一个周期
内可以分为
6
个工作模式，
其中
i
Ls
为串联谐振电流，
i
Lp
为并联电感电流。
工作模式
1(t0~tl):t0
时刻，谐振
电感电流
i
Ls
给开关管
S1
的寄生电容放电，
S1
的漏
源电压开始下降，当降到零时，
S1
的体二极管
D
s
1
< br>开始导通，为
S1
的零电压开通提供了条
件。此模式下整流二极管
D1
导通，并联电感
Lp
上的电压被变压器钳位在
n
倍输出电压上，
其中
n
为变换
器匝比，因此只有
L
s
和
C
s
参与谐振。
工作模式
2(tl~t2):t1
时刻，
S1
零电压开通。
此时
L
p
仍不参与谐振，
其上的电流
i
Ls
线
性上升，
在
t2
达到了峰值，
i
Ls
按正弦波规律增加。次级二极管极管仍是
D1
导通，流过
D1
的电流是
< br>i
Ls
和
i
Lp
之差。
t2
时刻，
i
Ls
?
i
Lp
，
D1
电流为
0
，副边二极管零电流关断。
工作模式
3(t2~t3):t2
时刻
D1
关断后，输出侧与谐振网络完全分开，输出电感给负载
供电。
此模式下
L
p
也以并联谐振频率谐振参与谐振，
i
Ls
?
i
Lp
，
到
t3
时刻
S1
以较小的电流
关断。
接
下来的半个工作周期和上面的工作过程相似，
只是方向相反了。
从上面的分析可看出
开关管
S1
和
S2
都实现了零电压开通，
次级整流二极管
都实现了零电流关断，
开关损耗很小，
具有极高的效率。
2
等效模型的建立和分析
上面的分析都
是纯理论的，要实现真正的软开关
，
达到最低开关损耗需要建立
等效模
型分析设计各参数才能获得。
由于开关管是上下互补导通
的，
所以在谐振网络的左边得到一
方波电压，而从变压器副边折
算到也同样为一方波电压，由此我们用基波等效模型来研究
LLC
谐振变换器的输入输出特性。图
2
为
LLC
谐振变换器的基波等效电路。
Cs
Ls
[4]
Uin
Lp
Rac
Uo
项目来源
:
浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）
( 2011)
资助
图
2
LLC
谐振变换器基波等效电路
其中
，
R
ac
与实际负载的关系为：
R
ac
?
n
式中
2
8
?
2
R
L
8
为正弦波流经电阻上产生的功率与方波产生的功率的关系比。
由等效电路得交
?
2
流基波的
电压增益：
Z
并
Uo
< br>Gac
?
?
=
< br>Uin
Z
Ls
?
Z
Cs
+
Z
< br>并
1
1
fs
2
f
2
?
1
1
?
(1
?
2
)
?
j
(
2
?
1)
2
K
f
fs
8
n
2
?
fR
L
C
s
(1)
式（
1
）中
f
s
为串联谐振频率，<
/p>
f
为开关频率，
n
为变压器匝比，
K
定义为：
K
?
L
p
L
s
Q
定义为串联谐振的
品质因数：
Q
?
[5]
1
R
ac
L
< br>s
,
通过对谐振槽路的输入电压进行傅里叶变换
C
s
得到其基波分量：
V
inFHA
(
t
)
?
2
?
V
in
sin(
2
?
f
s
t
)
（
2
）
由（
2
）式可得输入方波电压基波有效值：
U
in
?
同理
可得输出方波电压基波有效值：
U
o
?
n
2
?
V
in
（
3
）
2
2
?
V
o
（
4
）
G
dc
?
所以直流
增益：
V
o
1
1
?
G
ac
?
V
in
2
n<
/p>
2
n
1
f
s
2
1
f
2
?
1
1
?
(1
?
2
< br>)
?
j
(
2
?
1)
2
K
f
f
s
8<
/p>
n
2
?
fR
L
C
s
（
5
）
G
dc
?
变换上面式子可得直流增益表达式：
V
o
1
?
V
in
2
n
1
f
s
2
f
1
f
(1
?
?
2
)
?
(
?
s
)
2
Q
2
K
Kf
f
s
f
（
6
）
式（
6
）
中可看出
影响直流增益的参数有比例系数
K
、
串
联谐振品质因数
Q
、变压器匝比
n
等，由于各参数之间关系复杂，相互影响，所以我们在分析一个参数时先固定其它几个，
只变动一个参数来观察其对变换器的影响。
2.1
品质因数
Q
< br>对变换器的影响
固定
K
和
n
值，来看一下
K
值对变换器的影响。图
3
是用
Matlab
软件在
K=3
，
n=31
时
不同
Q
值下直流增益
G
dc
随归一化频率
f
n
?
f
/
f
s
的变化曲线。图中可看出随着
Q
的增大，<
/p>
增益曲线的最大增益越小，即在变压器空载时，增益最大，要使输出电压恒定，必须增加开
关频率；
在满载时，
增益最小，
需要减小开关频率来维持输出稳定。
由于开关频率在
< br>f
p
和
f
s
之间时谐振网络呈感性，
有利于开关管的零电压开通和二极
管的零电流关断，
所以设计一个
项目来源
:
浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）
( 2011)
资助
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