llc谐振转换器的工作原理及其应用

llc谐振转换器是led tv的主功率级拓扑之一，相比其它转换器具有更多优势，但因为其设计复杂困难，所以在过去很少受到关注。不过，这几年间，ic制造商已开发出用于 llc 谐振转换器的控制器，而且发表了许多相关技术说明和设计工具，让其设计变得更容易，并使得这种技术获得更多的关注。llc谐振转换器已经成为 led tv最流行的主功率级拓扑。llc谐振转换器的出色优点有： 　a) 在整个负载范围(包括轻载)下都是以zvs (zero voltage switching, 零电压开关)条件工作，从而实现高效率; 　b) 工作频率变化范围比较窄，便于高频变压器和输入滤波器的设计; 　c)初级端所用开关的电压应力被钳位在输入电压上，而次级端两个二极管上的电压始终等于中心抽头变压器输出电压的两倍。

llc谐振转换器一般包含一个带mosfet的控制器、一个谐振网络和一个整流器网络。控制器以50%的占空比交替为两个mosfet提供门信号，随负载变化而改变工作频率，调节输出电压vout，这称为脉冲频率调制(pfm)。谐振网络包括两个谐振电感和一个谐振电容(l-l-c)。谐振电感 lr、lm 与谐振电容cr 主要作为一个分压器，其阻抗随工作频率而变化(如式1所示)，以获得所需的输出电压。在实际设计中，谐振网络可由一个采用分段骨架(sectional bobbin)的集成式变压器的磁化电感lm 与漏感llk 构成。而整流器网络对谐振网络产生的正弦波形进行整流，然后传输到输出级。 　式2给出了采用实际变压器时，llc谐振转换器的电压转换比。在式2中可观察到两个谐振频率。一个由lp 和 cr 决定，记为ωp，另一个由lr 和 cr决定，记为ωr。利用这个公式，可获得llc谐振转换器随频率和负载变化的增益特性曲线，每条曲线上以符号‘+’标注的最高值被称为‘峰值增益’，位于两个谐振频率ωp 和 ωr 之间。当输出负载越来越大时，峰值增益值逐渐减小，其位置向更高频率移动。同时，以符号‘×’标注的ωr时的谐振增益却是固定的，不随输出负载的变化而变化。增益曲线说明在 zvs状态下，随着谐振网络的工作频率增加，增益减小，输出电压降低。

CLLC谐振变换器作为一种高效的电力转换装置，在车载OBC系统、光电、通信以及新能源发电等领域得到了广泛应用。其独特的双向对称结构和灵活的控制策略，使得它能够实现电能的双向流动(即充电和放电)，并具备高效率、宽负载变化范围内工作特性优良等特点。

一、CLLC谐振变换器拓扑结构

CLLC谐振变换器主要由开关电路、谐振电路以及整流电路三部分组成。其结构完全对称，能量通过原边开关进行逆变，然后通过变压器传递到副边，实现电气隔离，并在副边进行整流，产生输出电压。由于变压器的匝比设计为1:1，因此反向的运行和正向运行完全一致。

1.1 开关电路

开关电路通常由多个开关器件构成，例如全桥或半桥逆变电路。在全桥结构中，开关器件S1~S4构成全桥逆变电路，负责将直流电转换为交流电。这些开关器件的导通和关断由控制算法决定，以实现特定的电压和电流波形。

1.2 谐振电路

谐振电路包含谐振电感Lr、谐振电容Cr以及励磁电感Lm，并与变压器原边连接。谐振电路的设计决定了变换器的谐振频率和工作特性。在CLLC谐振变换器中，谐振电感和谐振电容的选取尤为重要，它们共同决定了变换器的谐振特性，如谐振频率、电压增益等。

1.3 整流电路

整流电路位于变压器副边，通常由二极管或其他整流元件构成。在CLLC谐振变换器中，整流电路通常采用全波不控整流方式，将交流电转换为直流电，供负载使用。

二、控制原理

CLLC谐振变换器的控制原理主要基于谐振特性和开关频率的调节。通过控制开关器件的导通和关断，实现对输出电压和电流的控制。由于CLLC谐振变换器的结构完全对称，因此只需要控制输入侧V1的大小就可以控制V2输出侧的大小，进而控制输出电压。

2.1 谐振特性

CLLC谐振变换器具有两个谐振频率：一个是由谐振电感Lr、谐振电容Cr与励磁电感Lm谐振产生的第一谐振频率fm，另一个是由谐振电感Lr与谐振电容Cr产生的第二谐振频率fr。这两个谐振频率将变换器的工作区间分为三段：fsfr。在不同的工作区间内，变换器的工作特性和电压增益会有所不同。

2.2 开关频率调节

通过调节开关频率fs，可以改变变换器的工作模态和电压增益。在欠谐振模式(fmfr)下，变换器的工作特性和电压增益会有所不同，需要根据具体的应用场景选择合适的工作模式。

三、调制方式

CLLC谐振变换器常用的调制方式包括脉冲频率调制(PFM)、移相调制(PSM)以及脉冲宽度调制(PWM)。由于LLC变换器的谐振特性，脉冲频率调制(PFM)方式最为常用。

3.1 脉冲频率调制(PFM)

PFM调制方式通过改变开关频率fs来调节输出电压。当输出电压升高时，减小开关频率fs以降低电压增益;当输出电压降低时，增大开关频率fs以提高电压增益。PFM调制方式具有控制简单、效率高的优点，但环路响应速度较慢，且存在双极点问题，不容易稳定。

3.2 移相调制(PSM)

PSM调制方式通过改变原边和副边开关器件之间的相位差来调节输出电压。在PSM调制方式下，原边和副边开关器件的导通和关断时间存在相位差，通过调整这个相位差可以改变输出电压。PSM调制方式具有动态响应速度快、控制精度高的优点，但实现起来较为复杂。

3.3 脉冲宽度调制(PWM)

PWM调制方式通过改变开关器件的占空比来调节输出电压。在PWM调制方式下，开关器件的导通和关断时间由PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比可以改变输出电压。PWM调制方式具有控制灵活、易于实现的优点，但在高负载和高压情况下可能会产生较大的开关损耗。

CLLC谐振双向DC变换器由两个桥臂组成，每个桥臂上分别有一个磁性元件和一个电容。通过控制开关管的开关状态，变换器可以实现能量在两侧的双向传输。当开关状态改变时，交流电源会将能量传输到电容器和磁性元件中。当能量需要从输出端传输到输入端时，电容和磁性元件从能量储能状态转变为能量释放状态。CLLC谐振双向DC变换器具有低开关损耗、高效率、小体积等优点。此外，它还具有流通电流小、电压应力低等特点。合适的谐振频率可以有效降低开关损耗和电磁干扰。根据具体应用场景，选择合适的控制策略可以提高系统的性能。例如，PWM调制技术在实现高效率的同时可以有效降低电磁干扰和噪音，而电流控制技术则可以实现对电路的精确控制。

CLLC谐振双向DC变换器适用于多种应用场景，如电力系统、工业自动化、交通运输、通信和医疗设备等。在电力系统中，它可以用于电力传输和分配，实现电能的高效转换和控制。在工业自动化中，它可以用于驱动电机和控制电器，提高生产效率和质量。在交通运输中，它可以用于电动汽车和轨道交通系统，实现能量的高效传输和控制。在通信和医疗设备中，它可以用于电源和电路控制，提高设备的可靠性和稳定性。

总之，CLLC谐振双向DC变换器是一种高效、可靠、先进的电力转换装置，具有广泛的应用前景。在未来的发展中，它将继续发挥重要作用，推动电力电子技术的进步和发展。