LLC谐振变换器原理及变频控制

1 LLC谐振变换器工作原理

图1为半桥LLC谐振变换器示意图，其中，Uin为直流输入电压，Q1，Q2组成半桥开关网络，通过交替驱动的Q1和Q2产生方波电压。变压器T的励磁电感Lm，谐振电容Cr和谐振电感Lr构成了一个谐振网络。变压器的次级具有中心抽头，与D3，D4一起组成了全波整流电路，而整流电路中的电流最后通过Co滤波供给负载。

图1 LLC谐振变换器示意图该变换器具有两种谐振频率，Lr与Cr参与谐振时谐振频率为：

Lm与Lr、Cr 参与谐振时，谐振频率为：
利用基波分析法（FHA），得到LLC谐振变换器等效网络，如图2所示。其中，等效负载阻抗为：

图2 LLC谐振变换器等效网络

其等效电路的输入阻抗为：

该变换器的直流增益为：

式中m=(Lm+Lr)/Lr,Fx=fs/fr,q=(Lr/Lc)^(1/2)/Req,fs为开关频率。

2 参数设计

选择额定输入电压Uin=311V，输出电压Vo =12V，谐振频率fr=115kHz,输出功率P=300W，则变压器匝比n=Uin/（2Vo）=12.95。要求最低输入电压为0.8倍额定电压，最高输入电压为1.2倍额定电压，计算得出最大电压增益 Mmax =1.25，最小电压增益Mmin=0.83。

图3是m=6时不同Q值增益曲线，所有Q值曲线都在谐振频率点（Fx=1）交叉，此时该电路效率最高，电压增益与负载无关，为最佳工作点。图3表明，所有增益曲线均有峰值，这些峰值确定了谐振池容性和感性的边界，为了实现零电压开关（ZVS），电路必须工作在感性区域。增益M随Q值的增加而减少，即负载越大LLC谐振腔增益就越小。为了满足所需的电压增益范围，选择Q=0.4。

图3 m=6不同Q值下的增益曲线

图4为Q=0.4，不同的m值增益曲线，m值越低增益越大，频率范围愈窄，输出电压调节更灵活；而m值越高，励磁电感的电流就越小，因此电路工作效率越高。为了提高电压增益和电路的工作效率，选择m=6.3。

图4 Q=0.4不同m值下的增益曲线

取Q=0.4，m=6.3，经计算可得Lr=36.2μH，Cr=0.053μF，Lm=192μH。

3 PI控制器的设计

采用PI电压外环控制的LLC谐振变换器结构图如图5所示，其控制器采用PFM调制，两个开关管设置了一定的死区，以防止直通短路。

图5 LLC谐振变换器PI控制

4 仿真分析

在MATLAB2018b中建立闭环LLC谐振变换器模型如图6所示。

图6 闭环LLC谐振变换器模型

在0.01s加入负载跳变，输出电压波形如下：

参考文献
[1]英飞凌LLC：Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400Vout Design Example

5 matlab代码
参考文献，sumilink模型及增益曲线绘制代码下载：

https://download.csdn.net/download/weixin_45951047/17264508?spm=1001.2014.3001.5501

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