干货推荐：从零玩转LLC谐振电源设计（连载）

LLC谐振变换器其优异的性能得到了业界认可。感谢电源网提供此次机会，我将在这里分享自己对LLC谐振原理的一些感悟。由于本人水平有限，如有错误还请读者评论区指出。接下来让我们一起学习LLC原理吧。

由于LLC谐振原理复杂，内容较多，文章将陆续更新>>>>>>

更新计划

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01.普通开关变换器与谐振变换器的区别

02.谐振原理与傅里叶级数分析

03.LLC谐振变换器主电路拓扑分析及公式推导

04.LLC谐振变换器工作模式分析

05.UCC25600外围电路与驱动电路设计

06.LLC谐振变换器建模

07.LLC谐振变换器MATHCAD计算书及器件选型

08.LLC谐振变换器电气原理图及PCB设计

09.LLC谐振变换器环路参数设计（TL431+光耦）

10.LLC谐振变换器调试记录

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本帖为连载，欢迎读者关注、收藏、点赞，学习不迷路！

第一节 普通开关变换器与谐振变换器的区别

对于从事电力行业的人员来说，对电源十分熟悉，其分为“直流”和“交流”。生活中常提及和人们熟知的电源是交流市电（单相220V AC或三相380V AC），随着科学技术的进步，用电负荷对电能的要求也愈加多样，从而孕育出电力电子技术学科，造就了开关电源行业。电力电子技术主要讲述了电能的四种变换形式，即整流（AC/DC）、斩波（DC/DC）、逆变（DC/AC）、调频（AC/AC）。

目前常用的直流电源分为线性稳压电源和开关电源两大类。由于开关电源自身消耗的能量少，效率比线性稳压电源高，被广泛用于电子计算机、通讯、家电、工业、航天等各个行业。开关电源应用十分广泛，有必要对其原理进行了解、对其发展趋势有所掌握，对工作帮助极大。线性电源的优点是电路结构简单、成本低；缺点是功率损耗大，发热严重，不满足节能要求。开关电源（Switch Mode Power Supply，即SMPS）被誉为高效节能型电源，其优点是开关频率高、效率高；缺点是电路结构复杂，成本高。现今用电设备对电能要求非常严苛，不仅要求电源效率高，而且还要求体积尽量小、电磁干扰尽量小、功率密度尽量高等。

开关电源的主要损耗来自于滤波器、功率半导体器件和高频变压器，其中功率半导体器件损耗占绝大部分。随着功率器件技术的进步及电源技术的发展，开关损耗在逐渐降低，电源效率在稳步增加。传统的开关电源均采用硬开关技术，显然已经不能完全满足现代工业与高科技设备用电要求，软开关技术被提出。早期的软开关技术主要在外国发展，90年代以后，国内的学者逐渐开始研究软开关技术，目前已在市场得到广泛应用。

1.1    开关变换器的调制方式

1.脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）

其特点是开关频率固定，通过改变脉冲宽度来调节占空比，实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。开关周期的固定使得滤波器设计简单，负载变化时，通过调节占空比实现输出电压的稳定。此外，输出端需接假负载（0.1%Po）以防止空载时输出电压飙升。目前，大多数的集成开关电源芯片采用PWM控制方式。

2.脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）

其特点是脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比，实现稳压目的。其核心是脉频调制器。电路设计中要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压－频率转换器（压控振荡器VCO）调节开关频率。它的稳压原理是：当输出电压Uo升高时，控制器输出的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，输出电压Uo降低；当输出电压Uo降低时，控制器输出的脉冲宽度不变而周期变短，使占空比增大，输出电压Uo升高。PFM控制开关电源的输出电压可宽范围调节，输出端可不接假负载。

PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图1-1所示，Ton表示脉冲宽度，T表示周期。它们特点如下：

⑴ 均采用时间比率控制（TRC），实现输出稳压，改变导通时间Ton或工作周期T，结果均是调节脉冲占空比。虽然调制方式不同，但控制目标一致。

⑵ 当负载由轻变重或输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法使输出电压保持稳定。

（a）PWM脉宽调制

（b）PFM脉宽调制

图1-1  PWM与PFM调制

3.混合调制方式（PWM和PFM共同调制）

它包括脉宽调制和脉频调制。由于Ton和T均可单独调节，因此占空比调节范围最宽，适合制作输出电压可宽范围调节的电源。

以上三种调制方式统称为“时间比率控制”（Time Ratio Control，简称TRC）方式。

1.2    普通开关变换器

普通开关变换器PWM调制方式MOS管硬开关理想工作波形如图1-2所示。该图为MOS管工作简化波形（只适用于低压），图1-3为MOS管开通过程的实际波形（蓝色和红色实线为Vds波形，红色和紫色虚线为Id波形），图1-4为开通与关断过程损耗。

图1-2 硬开关MOS管工作示意图

图1-3 实际MOS管工作波形

图1-4 开通关断过程损耗曲线

MOS管的损耗可分为四种，即开通损耗、导通损耗、关断损耗、续流损耗和驱动损耗等。计算方法如下：

开通损耗：

导通损耗：

关断损耗：

驱动损耗：

注：上式中：Vds－MOS管漏源极电压，Id－MOS管电流，△T1－开通时间，fsw－开关频率，Rds(on)－导通电阻，△T2－关断时间，Qg－栅极电荷，Vgs－驱动电压

上式可以看出，随着开关频率的增加，MOS管的损耗也随之增加，致使开关电源的效率降低，这与目标相悖。针对这一问题学者们纷纷展开研究，一方面从器件本身着手，通过减小导通和开通/关断时间，降低开关损耗；另一方面从电路结构入手，改变电路结构，实现开关器件的软开关，即ZVS和ZCS。所谓的ZVS就是零电压开通、ZCS就是零电流关断，该技术利用电压与电流的相位差实现。

1.3    谐振变换器

首次将谐振技术应用于斩波（DC-DC）变换器是外国学者，其原理是利用器件在谐振过程中电压与电流存在相位差，且波形过零点呈周期变化，为功率开关器件软开关创造条件，软开关技术可以极大的减少功率器件的开通和关断损耗，从而到达提高电源效率。功率器件实现零电压（ZVS）开通或零电流（ZCS）关断波形如图1-5所示。LLC谐振变换器拓扑在上世纪就被提出，由于半导体器件自身特性限制，当时该拓扑并没有得到推广，而被搁置。2000年以后，随着半导体技术难题不断攻克，半导体功率器件也取得了突破性进展。如今，功率器件已不在是限制变换器发展的主要阻力。现代用电设备对电源的性能要求极高，为了满足高效率、高功率密度及低纹波等优点。LLC谐振技术又被提起，现已成为广大学者研究的焦点，同时也被大部分电源企业青睐。

（a）ZVS波形

（b）ZCS波形

图1-5 软开关波形

谐振技术发展之初为串联谐振（SRC）和并联谐振（PRC）变换器。电路拓扑如图1-6所示。该两种拓扑均有自身的优点和缺点，学者们就提出了将串联和并联谐振优点集于一身的LLC谐振变换器。由于LLC谐振变换器原理相比其它变换器更为复杂，性能也较其它变换器优越，同时也吸引了许多学者对其展开深入的研究。学者们主要研究的方向有主电路拓扑分析、主拓扑建模、驱动波形死区时间确定、谐振参数优化、功率器件损耗分析等。

（a）串联谐振电路

（b）并联谐振电路

图1-6 串联并联谐振电路拓扑结构

图1-6中，串联谐振变换器的谐振频率为：

串联谐振变换器的增益公式为：

从式（1.6）看出，串联谐振变换器的增益。当开关频率等于谐振频率时，谐振电路呈电阻性，此时电压增益最大。同时谐振电容隔离回路中直流量，可防止变压器磁饱和。串联谐振变换器在轻载输入条件下，开关频率变化范围较大，谐振网络中循环能量很大，导致开关损耗和器件应力增大。

并联谐振变换器的增益公式为：

并联谐振变换器的等效负载与谐振电容

并联，导致变压器初级阻抗非常小，故谐振电路中电流较大，开关管损耗增加。经以上分析知串联和并联谐振电路均存在缺陷。研究者发现将串联和并联谐振变换器的优点结合，提出了高性能的LLC谐振变换器。

总结：此篇主要讲述开关电源的调制方式，分析功率管硬开关和软开关工作波形，引出谐振技术的优点与LLC谐振变换器的演变。

在这里推荐几篇文献供有兴趣读者参考

朱立泓. LLC谐振变换器的设计[D].浙江大学,2006.

余昌斌. LLC谐振半桥DC-DC变换器的研究[D].重庆大学,2007.

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