LLC 半桥谐振电路仿真分析

概要

随着现代电力电子技术的发展，开关电源向着高频化、集成化、模块化方向发展，提高开关频率能减小体积，提高功率密度及可靠性，平滑变化的波形和较小的电压 / 电流变化率也有利于改善系统的电磁兼容性，降低开关噪声。功率谐振变换器以谐振电路为基本的变换单元，利用谐振时电流或电压周期性的过零，从而使开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，以实现软开关，达到降低开关损耗的目的，进一步提高效率，因此得到了重视和研究。谐振网络通常由多个无源电感或电容组成，由于元件个数和连接方式上的差异，按不同谐振方式可分为串联谐振变换器、并联谐振变换器以及两者结合产生的串并联谐振变换器。

为了解决传统谐振变换器的局限性，提出了 LLC 谐振变换器，因为它优于常规串联谐振变换器和并联谐振变换器，在负载和输入变化较大时,频率变化仍很小，且全负载范围内切换可实现零电压转换 (ZVS)。LLC 谐振变换器理论上可实现初级开关管零电压开通（ZVS），且关断电流也较小，次级整流管可实现零电流开断（ZCS），既有串联谐振变换器谐振槽路电流随负载轻重而变化、轻载效率较高的优点，又有并联谐振变换器在空载下也能稳定工作的优势。

主要特点：多谐振频率：fr1 和 fr2

变频控制 PFM

固定 50% 占空比

开关管 ZVS 开通

当开关频率 fsw 等于谐振频率时，谐振电流波形为正弦波：关断损耗小，EMI 小

两个次级整流管的电压应力和电流应力相等：ZCS，没有反向恢复损耗。没有输出扼流圈，节省成本集成式变压器

效率可高达 96% 以上

本文以一个典型的 120W  LLC 半桥

谐振变换器为例，通过 SIMPLIS 仿真分析其电路特性。

典型电路：

此电路是一个典型 LLC 半桥谐振电路，开环控制，输入电压 380V，输出功率 120W，输出电压 24V，匝比 7.5：1：

1，开关频率 fsw=85kHz。

控制芯片 U1 内部电路图：

波发生器：通过以 50% 占空比交替驱动上下 MOS 管产生方波电压

谐振网络：由 Lr、Cr 和 Lp 组 成 谐振网络，实现开关管的 ZVS

输出整流：输出二极管实现 ZCS，无反向恢复损耗

参数设置：

输入电压Vin=380V，品质因数Q=0.6，等效负载阻抗 RAC ≈ 208.17Ohms，负载电流 ILOAD=2.5A，死区时间Tdead=200ns，谐振参数 Lp=998uF，Lr=234uF，Cr=15nF，计算 可知   fr1 ≈ 85kHz，fr2 ≈ 37kHz，此电路fsw=fr1。

仿真结果：

下图所示依次是两个MOS管的驱动波形、两个MOS的中点电压和谐振电容电压波形、谐振电流和激磁电流波形、输出二极管电压波形和电流波形。

下图依次是下管的 VGS，VDS 和 id 波形。

放大后可观察到该 MOS 此时是 ZVS 开通。

同样的，可观察上管 MOS 也是 ZVS 开通。

下图是输出二级管的电压（绿色）和电流（红色）波形。

下图依次是下管的 VGS，VDS 和 id 波形。

添加功率探头，测试效率和损耗，η 为 96.5%，测得结果如下图所示。

AC 分析得到控制到输出的 Bode 图，测量可得相位裕度约为 58°，增益裕度约为21dB。

本文通过 SIMPLIS 仿真软件分析 LLC 半桥谐振变换器的主要特性，观察初级开关管的 ZVS 和输出整流二极管的 ZCS 过程，测试效率和损耗，并通过 AC 小信号分析其频域特性，从而验证了 LLC 电路的主要特点和工作过程，为拓扑中关键参数尤其是谐

振参数的优化设计以及元器件选型等提供了重要依据。