单调谐回路谐振放大器等效电路分析_LLC谐振电路参数计算

单调谐回路谐振放⼤器等效电路分析_LLC谐振电路参数计算

⼀、引⾔

不断增加的开关电源功率密度，已经受到了⽆源器件尺⼨的限制。采取⾼频运⾏，可以⼤⼤降低⽆源器件，如变压器的和的尺⼨。但是过⾼

的开关频率将会带来更多的开关损耗。为了降低开关损耗和容许⾼频运⾏，谐振开关技术已经得到了发展。这些技术采⽤正弦⽅式处理电

⼒，开关器件能够实现软换流。使得开关损耗与噪声⼤为降低。

在谐振中，最简单和最常规的谐振变换器为LC串联谐振变换器，通过LC谐振变换器和负载进⾏串联，通过改变逆变器的输出⽅波电压频

率，来改变LC谐振电路的等效阻抗，从⽽改变负载的电压，由于LC在谐振点时等效阻抗最⼩，对应的负载电压最⼤，这就使得LC串联谐振

变换器的DC增益总是⼩于1，在负载很轻时，相⽐于谐振⽹络的阻抗⽽⾔，负载阻抗很⼤，全部电压都被施加到负载上，这使得在轻载下很

难调节输出。

在谐振变换器中，有LC串联谐振(SRC)、LC并联谐振(PRC)和LLC串并联谐振。对应的三种电路分析如下：

1.1LC串联谐振(SRC)

对应的电路如图1所⽰。

图1 LC串联谐振

1)由于该变压器没有加⽓隙，所以对应的励磁电感很⼤，不考虑励磁电感参与谐振，只有Lr和Cr谐振；

2)AB两点得到的是⽅波电压，谐振电感Lr和谐振大红袍怎么泡 电容Cr相互连接，构成⼀个串联回路，该变换器中的谐振回路与负载是串联连接的，形成

⼀个分压电压结构，当开关频率发⽣变化时，则谐振回路的输⼊阻抗将相应发⽣变化，进⽽变换器的输出电压也将发⽣变化，也就是说其直

流电压增益只能⼩于或者等于1。同理，当后⾯负载发⽣变化，需要稳压，只需要改变频率就⾏。

1.2LC并联谐振(PRC)

对应的电路如图2所⽰

图2 LC并联谐振

1) 谐振电感Lr和谐振电容Cr依旧是相互串联的关系，但是变换器安全生产应急预案 的负载与谐振电容Cr是并联的关系，输出端经过LC滤波后，向负载提

供能量；2)增益曲线⼤于1；3)输出端有滤波电感。

1.3 LLC串并联谐振

对应的电路如图3所⽰

图3 LLC串并联谐振

1)LLC谐振变换器与传统LC串联谐振变换器相⽐，不同之处在于LLC谐振变换器中的励磁电感Lm不能再被视为⽆穷⼤⽽是⼀个有限的

值，它会参与到LLC谐振变换器的谐振过程中去，这样LLC谐振变换器就具有fr和fm两个谐振频率，它既可以在⼤于fm⼩于fr的频率范围

内⼯作，⼜可以在⼤于fr的频率范围⼯作。

LC的本征谐振频率为fr=1/2*pi*sqrt(LrCr)

LLC的本征谐振频率为fm=1/2*pi*sqrt((Lr+Lm)*Cr)

⼆、电路等效模型

LLC变换器集合了LC串联和并联谐振的优点，现在主流的电路都采⽤LLC谐振电路，本⽂对LLC变换器进⾏分析说明。LLC谐振拓扑包括3

级电路，极⽅波发⽣器、谐振⽹络和整流⽹络。

2.1 ⽅波朱元璋传位给谁了 发⽣器负责产⽣⽅波电压Vd，通过50%占空⽐交替驱动开关Q1和Q2来实现。通常，在连续切换中会引⼊⼀个较⼩的死区时间。

⽅波发⽣器可以构造成全桥或半桥类型。可以将⽅波⽹络等效为输⼊为⽅波电压的源。

2.2 谐振⽹络包括⼀只电容、变压器漏感和励磁电感。谐振⽹络滤除⾼次谐波电流。在本质上，即使⽅波电压施加到谐振⽹络上，也只有正

弦电流容许流过该谐振⽹络。电流(Ip)滞后于施加到谐振⽹络上的电压，在MOSFET开通之前，通过使反并联⼆极管流过电流，使得

MOSFET端电压为零，从⽽实现MOSFET的零电压开通。关于谐振⽹络的变压器分为两种，⼀种是分⽴式变压器，另外⼀种是集中式变压

器。

分⽴式变压器可以认为是理想的变压器，谐振⽹络是通过外部的电感得到对应的漏感和励磁电感，对应的等效电路如下所⽰。

集成式变压器是通过添加变压器的⽓隙来获得对应的漏感和励磁电感，对应的等效电路如下所⽰。

分析电路多采⽤分离式变压器对LLC谐振电路进⾏分析，但是在实际⼯程应⽤中多采⽤集成式变压器，在不考虑副边漏感的情况下和分⽴式

变压器⼀样，这样导致实际增益偏⼤，使得在实际运⾏中对应的频率⽐设计频率偏⼤，这对设计额定⼯况下在谐振点不利，所以为了更加准

确的确认实际⼯作点，对集成式变压器进⾏等效电路分析。

假定：n^2Llks = Llkp;

可得漏感为：

在处理实际变压器时，提倡采⽤Lr和Lp的等效电路，因为通过分别短路和开路次级绕组，测量初级可以很容易地测得这些电感值。主要在

分⽴式变压器分析中增加Mv的增益。

通过对⽐分⽴式和集成式变压器可知，对应的等效⽹络是⼀致的，只是集成式变压器需要增加⼀个虚拟增益。所以在分析计算集成式变压器

时，增加⼀个虚拟增益即可。2.3 整流⽹络产⽣直流电压，采⽤整流⼆极管和电容对交流电进⾏整流。整流器⽹络可以设计成全波整流或者

全桥整流。

对应的等效电路如下图所⽰。

三、参数计算

⼯程中多采⽤集成式变压器，本⽂采⽤集成式变压器进⾏参数计算说明。

3.1 K系数确定

⾸先定义K = Lm/Lr= (Lp- Lr) / Lr；

k值取⼤之后导致增益⽐较平滑，在轻载时满⾜不了最⼩增益的要求，过⼩的K会导致变压器的耦合恶化和效率下降，典型的设置K值位于

2~6之间，可使得谐振频率点(f0)的电陆军特种作战学院 压增益为1.1~1.2。本⽂设计选择K=4。

3.2 变压器变⽐

设定额定⼯况⼯作于谐振频率点处。对应的整个回路的增益函数为：

3.3 最⼤增益&最⼩增益

根据在额定电压下确定对应的变压器变⽐n，根据输出最⼤电压得到最⼤增益，输出最⼩电压得到最⼤增益，对应的公式如下：

3.4 品质因数Qamx

先引⼊峰值增益的概念，通过增益曲线图可以知道，峰值增益对应有⼀个频率，介于两个谐振点频率之间，⼩于峰值增益频率时，不能实现

ZVS，⼩于峰值增益频率时，能实现ZVS。对于不同的负载峰值增益频率点不⼀样。Q越⼤，对应的此频率越往右，选择⾼于此频率的频率

为⼯作中的最⼩频率时，在任何负载下均能实现ZVS。负载越轻，对应的峰值增益频率越往左，所以得到的Qmax时对应的是重载情况。

K值确定之后，Qmax和峰值增益有⼀定的关系，通过最⼤增益留有10%-20%的裕量为峰值增益。这样就能满⾜所有⼯况下实现ZVS。

Qmax的选取通过增益曲线获得。

3.5 等效输出电阻Rac

通过等效电路得到对应的等效输出电阻

因为涉及到虚拟增益，所以需要进⼀步将Rac等效，得到虚拟增益前端的等效电阻为：

3.6 对应的谐振参数Cr Lr Lp

根据3.4中的分析可以得到对应的Qmax对应的是最⼤增益，Qmax有和负载有关，只需满⾜重载情况下最⼤增益，最⼤输出电压情况下轻

载均能满⾜，所以最恶铅笔英语怎么写 劣的⼯况是，最⼤输出电压同时对应的最重负载，此时的R对应Qmax，R根据在最⼤电压情况下空中飞人打一字谜 得到额定功率来计

算对应的R。

在实际变压器设计中通过副边开路测量Lp，副边短路测量Lr。

3.7 最⼩⼯作频率fmin

增益最⼤对应频率最⼩，负载越重对应的频率越⼩，所以考虑在满载情况下能够满⾜最⼤增益的情况下为最⼩频率，此种情况为计算

Qmax⼀致的⼯作模式。

可通过⼀下公式进⾏计算可得：

3.8 最⼤⼯作频率fmax

增益最⼩对应频率最⼤，负载越轻对应的频率越⼤，所以考虑在轻载Q=0情况下能够满⾜最⼩增益的情况下为最⼤频率。

四、参数计算表格