开关电源的LLC谐振拓扑结构

LLC电源拓扑顾名思义该拓扑是由两个感抗器件和一个容抗器件组成的，一个是谐振电感Lr，一个变压器（原边感量为Lm）和一个谐振电容Cr，三个器件串联形成谐振腔。

加上原边开关管和副边整流电路，即可形成经典的开关电源中的LLC谐振拓扑的基本结构。

全桥LLC拓扑

对称半桥LLC拓扑

非对称半桥LLC拓扑

接下来，我们取其精华去其“糟粕”，得到如下图结果。

采用“基波简化法”，并将变压器去掉，得到等效电路图如下图。

其中

根据该图可以推出其增益函数：

其中

下面我们来分析分析k和Q对增益M的影响。先保持Q不变改变k值，得M的增益图像。这里我们选择Lr=133uF，Cr=33nF。

由该增益图可知，k值越小，在相同的频率下其增益M越大，同时可以看到其增益曲线相对也更陡峭，也就是意味着较窄的频率范围内能很好地调节输出电压的大小，使得变压器容易设计，但是，我们知道k=(Lm+Lr)/Lr，也就是在保证决定谐振频率参数Lr、Cr不变的情况下，我们只能减小Lm，这就会导致变压器的励磁电流加大，从而使谐振腔的环流变大，增加损耗，降低了效率和增加了温升问题。

我们继续分析保持K值不变，改变Q值会对增益M带来什么影响。

可见，Q值越大，增益M越小，这个现象也可以这样理解，我们知道Q值表达式

所以Q越大，在Lr和Cr不变的条件下，也就是负载电阻Rload越小，再从等效电路图中可以知道Rac//Lm的分压比值也就减小了。所以，在设计LLC的谐振参数时，必须要确保在满载条件下的Q值满足一定的增益M能使得输出电压达到设计要求。

分析这两个波形图，我们可以看到所有波形均有一个特点，就是他们都经过同一个点，而这个点就是（fr，1），这说明当开关频率为谐振频率时，LLC的增益M与负载无关。

我们做个仿真，选择谐振电感Lr=234uH，谐振电容Cr=15nF，得谐振频率fr=84.95kHz。

设置输出电流0.5A，工作频率f=fr。得输出电压Vout=24.7V。

设置输出电流5A，工作频率f=fr。得输出电压Vout=24.4V。

以上两种相差10倍的输出电流，输出电压仅差0.3V，这是由于器件的寄生电阻和84.95kHz只是接近于1/(2*pi*Lr*Cr)导致的。

接下来，我们在开环状态下分析分析谐振、上谐振和下谐振时的波形情况。以下波形中波形含义。

VSW：谐振腔电压；

Ir：谐振腔电流；

Im：变压器励磁电流；

Ip：传到变压器副边的电流（=Ir-Im）；

VS：变压器副边电压；

Is1：流过副边整流二极管D1的电流；

IS2：流过副边整流二极管D2的电流；

Vout：输出电压。

1、谐振：开关频率fsw=fr。从仿真波形可得，原边Ir呈标准的正弦波形，副边二极管电流刚好下降到0时，截止导通，这就形成了二极管的“零电流”关断，这种工作状态下，二极管没有反向恢复的导致的电流尖峰震荡，使得损耗减小，以及很好地改善EMI问题。

2、上谐振：fsw>fr。从仿真波形可得，原边Ir本是正弦波形却被砍了一刀，也就是在较高电流条件下，关断原边MOS管导致较高的开关损耗，副边二极管也不能形成了 “零电流”关断。

3、下谐振：fsw

由于是开环状态下进行仿真，所以上述三种工作模式下，输出电压不一样。上谐振输出电压小于谐振点小于下谐振，这与上面所分析的增益M函数图一致。