LLC谐振电路主要参数设计.docx

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LLC谐振电路主要参数设计

在LED大功率驱动电源中，LLC电路应用最为广泛，因该电路有如下优点：

1.具有零电压开关特性，避免了开关损耗，使效率得以提升

2.由于没有开关损耗开关频率可以提高，从而可以减小磁性元件的体积，同时也可以减小滤波电容的容量，与普通半桥相比减少了输岀滤波电感，其谐振电感可以利用变压器的漏感来承担•成本减少了

在LED大功率驱动领域，LLC电路在性价比方面来讲是很好的一个拓扑，但对于刚刚进入该领域的工程师来讲，要掌握其设计方法还是有一定的难度.

LLC电路分析

LLC电路实际上是工作在零电压开通状态，从而减小了开关管的开关损耗。

要使开关管零电压导通，必须使开关管在截止期间DS间的寄生电容复位

（即电容电压归零）。

使开关管DS间电容电压复位，在开关管截止期间其所在回路要保持有电流存在，这个电流就要电感器件来保持,也就是说要让开关管零电压开通的必要条件是其工作的回路为感性。

on煤

LLC电路分析

式中包含着电路的具体参数.对我们的分析会带来一些困扰.设

KlLJL"Kf=f/fnQ=2n匚皿fR/2nLrCr

将图1的电路简化为图2所示，并用基波等效分析法得岀

Vs=（2/h）V£Xsin（2nft）.

Re=8n2RL/n2

将

（1）是可以转换为

（2）式的形式，下面可以分别讨论KLKf.Q对M影响

（2）

该电路的输入到输岀的电压增益可以表示为

图3位为LLC电路的增益曲线，横坐标表示工作频率的变化，纵坐标表示增义的变化，那么LLC应当工作在该曲线的〃感性"区域还是"容性"区域呢？

答案是应当工作在"容性"区，也就是该曲线随频率増加而下降的区域

图中对应0=601"

岂Ifl位負♦大干■哀示iKRtt为•性・勺相位角。

小千零宸示为客性・蚩栖位角♦力*聚示为代絶厲戏尬0曲ttx«±sitnffi中矗岀muuo愉入m恢之比

LLC电路分析

•在下面的表达式中

•M二IZ。

IeJ*20/IZinl©J*zin=IZol/IZinleJ（*zo"*zin）

•IZole^o=j2nfLB//Rc,—定为感性，所以札。

大于

•

•看也。

一札5＜0时,即M工作在〃容性'区谐振回路阻抗相位4）抽＞札。

＞0,即阻抗回路工作在感性区,符合该回路的开关豁件零电压开关条件.

•当负载加大时,即&变小，Q值增大。

从图3还可以看出当Q值増大时,增益的峰詹减小,那么要达到同样的M值，Kf要减小。

反之，当负载减小时,工作频率增大。

•在LED电源的设计中，还会遇到另外一种情况，就是在一款电源的设计中在输出功率不变的情况下,尽量做到比较宽的电流变化范围。

在这种情况下要求Q值和M都在变化。

无论哪种变化,M的值在Q和心一定的情况下都要小于增益的峰值Mp,不然会逬入容性区域。

•根据增益的变化范围，电路会限制一个最大和最小的频率范围。

•电路进入容性阻抗区会有哪些危害：

开关管转为硬开关，增加损耗；电路中的负反馈电路转为正反馈。

LLU电正合力忻

从图4可以看出KL越小z同样的增益变化频率变化范围越小,

这样有利于电路的设计，但KL越小,意味着Lm越小，则励磁电

通损耗也会增加。

随着KL制的増大，相同Q值的峰值增益也在迅速下降，对电路电路容易进入容性区。

从图4同样可以看到,同样的KL值，随着Q值的增加，其增益的峰

值迅速减小，电路工作时容易进入容性区。

图中对应Q二qn二0.1*n

从上面的分析可以看出，KL和Q对增益的贡献互相有影响，为了更加清晰的了解它们之间的关系，我们将峰值增益Mp,KL和Q之间的关系根据式

（2）绘制成曲线如图5所示。

可以利用该图选取适当的心和Q值。

LLC电路分析

•在实际应用中，可以利用图5所示的曲线，来选在适当的心和Q值。

•Q值与负载有关,也与变压器的匝比有关。

Q=2nfrL/ReRe=8n2RL/n2

•在LED电源的设计中，LLC电路的输入电压基本不发生变化。

输出电压变化,说明增益M和Q值都发生了变化；输出电流变化而电压不变时只有Q值发生了变化；或者两者同时在变化是增益M和Q值都发生了变化。

•在设计中怎样选取适当的心九Q和匝比n,下面举例说明。

•输入电压为Vdc二400V

•输出功率P。

二120W

•输出电压最低V°mm=27V（电流4.44A）,最高VOmax=54V（电流2.22A）

•工作频率f在70kHz到140kHz之间

•下面分别求出该谐振电路的LmrLr,Cr,变压器的在比n

LLC谐振电路设计

•先求出变压器的匝比

M=Vo*n/（l/2*Vdc）

n二（Vdc/2/Vo）M

当M二1时，n=VdC/2/Vo,由于Vdc不变「V。

有三个值可以选取,Vomin,乞详和（Vomin+Vomax）/2

首先选择％

n二Vdc/2/Vmn二400/2/27二7.4…取n二7

计算最大增益和最小增益

Mmax=2Voma/n/Vdc=7X54X2/400=1.9

Mmin=2Vomin*n/Vdc=2X27X2/400=0.95

根据图5,MpK和Q的关系曲线，选择

Q二0.45（Mmin=0.95）

LLC谐振电路设计

•Re=（8n7TT2）Vo/Io

•当Vomjn=27V,Iomax=4.44A时，

•Remm二（8x72/3.142）X27/4.44=242

•L尸QmaxRemin/dTTfr）=0.45X242/

（2X3.14xl30xl03）=133X106

•Lm=KLLr=133X106x5=667X106

•Cr=l/（2rrfrQmaxRemin）=l/（2X3.14x130x103X242）

=5.1X109

•当Vomax=54V,Iomin=2.22A时，

•Remax=（8x72/3.142）x54/2.22=968时，

•Qmin=2TTf丄r/Romx二2x3・14xl30xl03xl33XKr

6/968=0.112

•由以上计算,绘制出图6,根据图6可以计算出工作的最大频率和最小频率

•fmin=Kfminfr=0.55xl30xl03=71.5xl03

•fmax=Kfmaxfr=1.05xl30xl03=136.5x10s

LLC谐振电路设计

LLC谐振电路设计

•以上的计算变压器的匝比用的是输出最低电压，假如我们用输出最高点压计算变压器的匝比又会出现什么情况呢，下面就来计算一下。

•n=Vdc/2/Vomax=400/2/54=3.7z取二3.7

•Re=（8nW）Vo/Io

•当Vomin=27V,Iomax=4.44A时，

LLC谐振电路设计

计算最大增益和最小增益

Mmax=2Vomax*n/Vdc=3.7X54X2/400=l

Mmin=2Vomin*n/Vdc=3.7X27X2/400=0.5

根据图5,MpK和Q的关系曲线，选择

Qmin=0-1125（Mmax=l）

Qmax=0・45（Mmin=0.5）

Kl=5

•根据以上的,其增益与频率的曲线如图7所示。

•可以看出,工作的最｛氐频率和最高频率相差3.85倍，假如我们设计些正品率匸二70kH乙则最高频率是270kHz。

这么宽的工作频率范围给设计工作带来挑战。

-同样的平均输出电压位于位于谐振频率点处也会遇到同样的问题。

LLC谐振电路设计

图7

总结

•要理解增益表达式中Kl,K#[]Q与M之间的关系，利用Kf关系图和M・Q的关系图,选取适当的氐和Q。

•匝比n与fr在最大频率和最小频率之间的相对位置有关，fr—般选在最大频率附近。

•最大频率和最小频率要包含重载和空载时的工作频率"