LLC型串并联谐振变换器参数分析与运用
0 引言
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，
进一步提高频率，因此得到了重视和研究。
l 谐振电路 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，常见实用的谐振变换器拓扑结构大致分为两类：一类是负载谐振型， 另一类是
开关谐振型。负载谐振型变换器是一种较早提出的结构，注重电源电 压转换比特性的
改善，按照谐振元件的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。
1 . 1 串联谐振
由于是串联分压方式，其直流增益总是小于 1,类似BUCI变换器；轻
载时为稳住输出电压，必须提高开关频率，在轻载或空载的情况下，输出电压 不可
调，输入电压升高使系统的工作频率将越来越高于谐振频率，而谐振频率 增加，谐振
腔的阻抗也随之增加，这就是说越来越多的能量在谐振腔内循环而 不传递到副边输
出；但在负载串联谐振中，流过功率器件的电流随着负载变轻 而减小，使通态损耗减
小。
1 . 2 并联谐振
输出端可以开路但不能短路，会损坏谐振电容，并且过大的原边回路电 流对
开关器件及电源都会产生冲击；轻载时，不需通过大幅改变频率来稳住输 出电压，与
串联谐振相比变换器工作范围更大，可工作至空载；当轻载时输入 电流变化不大，开
关管的通态损耗相对固定，在轻载时的效率比较低，较为适 合工作于额定功率处负载
相对恒定的场合。
1 . 3 串并联谐振
输出电压可高于或低于电源电压，且负载变化范围宽，是目前研究领域 中较
主流的结构。
2 谐振参数分析
2．1 电路拓扑
图1为LLC型串并联半桥谐振变换器电路，主开关管 S1和S2是固定 0. 5
占空比互补导通，Lr、Cr与变压器的并联电感Lm构成LLC谐振网络，整 流二极管
直接连接到输出电容上。
LLC有两个谐振谐振频率，分别为 Lm与 Lr、Cr产生的串并联谐振频率 以
及 Lr 和 Cr 产生的串联谐振频率。
2．2 参数影响
LLC谐振变换器是在串联/并联谐振变换器的基础上改进而来，由于较
前两者多了一个谐振元件其设计运用也变得复杂。根据交流分析法得到 LLC谐
振变换器的输入输出特性为
2. 2. 1 k 的影响
对于一个输入输出和功率一定的变换器而言，匝比 n 固定，如图 2（a） 所
示，在某一 Q下，不同的k值所带来的影响：随着k值的增大，最大增益在 减小，
在输入电压较低时也许达不到所要求的输出电压，且随着 k值的增大，
为保证所需的输出电压使得变换器的工作频率范围变宽，这不利于磁性元件的 工作；
但k越小则Lm越小，Lm两端电压值一定，由于感值的减小其电流峰值 增大，而原
边开关管关断时流过的即为激磁电感的峰值电流，存在较大的关断 损耗，但若此关断
电流过小则会影响到零电压开通，故 k值的选择应择中考虑
开关频率的范围、零电压开通及较小的关断电流。
2. 2. 2 Q 的影响
在确定了 n和k值的情况下，Q值的大小直接关系到直流增益是否足够 大。
对于特定的输入电压范围 Q值越小，所对应的开关频率范围越小（对于 f0
Cr越大，谐振腔的阻抗变小，使得变换器的短路特性变差，在负 载较重的时候尽量
选择较小的 Cr以达到要求的输出电压。
3 电路分析
当开关频率fvfO时可知谐振网络呈容性状态，不利于开关管的 ZVS开 关，
就不展开讨论了，下面先以开关频率范围 fOvfvfr来分析LLC谐振电路的 工作过程。
在 fO
联再与Ceq,谐振腔阻抗到底呈感性还是容性就要根据频率和负载 的轻重（Q值大
小）而定。运用Saber软件对LLC半桥谐振变换器在进行仿真， 并进行模态分析。
变换器Vin=270V, Vo=360V额定功率500W其中谐振网络 参数如下：Lr=27.
411， Lm=137i， Cr=92. 4n。
3．1 不同负载下的仿真与分析
3. 1 . 1 满载
满载情况下的模态分析及仿真波形分别如图 3及图 4所示。
Model（t0〜t1） : t0时刻S2关断，谐振电流对 C2 C1（分别为S2、S1 的
寄生电容）充放电，S1端电压开始下降，当降为零时 S1的体二极管导通，为 S1的
ZVS创造条件。变压器原边电压为上正下负， D1和D4导通，Lm两端电压 被箝位
为nVo, iLm线性上升，谐振只发生在Lr和Cr之间，Lm未参与谐振。
Mode2（t1〜t2） : t1时刻ZVS开通，谐振电流以正弦形式流经 S1。流过
D1的电流为ir与iLm之差折合到副边的值，由于 T>Tr,ir经过半个周期谐振 之后S1
仍开通，当ir下降到iLm时流过D1和D4电流为零，实现了整流二极 管的ZCS关
断。
Mode3（t2 一 t3） : D1和D4 ZCS关断后变压器原副边完全脱开，谐振网
络不再向副边传输能量，Lm便不再被箝位于nVO,Lm与Lr、Cr 一起谐振，由于
Lm较Lr大得多，此时的谐振周期明显变长，近似认为 ir保持不变。t3时刻
S1 关断。
下半个周期的分析与上述过程对称，这里就不再详述了。 从模态分析可见整
个工作过程中包括了两个谐振过程，一个是 Lr 和 Cr 的谐振，另一个则是Lm与
Lr、Cr 一起谐振。
3．1 ．2 轻载
当负载变轻时，谐振电容上的电压变低，如果其两端电压降到满足条件
副边整流二极管将不会导通。从 ir 和 iLm 的波形可以看出，向副边传 输的
能量相对较小，原边有较大环流存在，这使得变换器在轻载时损耗较大， 然而也正因
为较大的环流保证了开关管在较轻载时也能实现零电压开关，如图
5 所示。
3．1．3 过载
负载过重时谐振电容两端电压纹波较大，当满足条件
时，其工作过程较满载情况下有所不同，在谐振电流 ir 下降到等于 iLm 后由于 有太
多的能量存储在谐振电容上，较高的 VCr 会使整流二极管导通，进入另一 个谐振过
程。从图 6(a) 的 ir 和 iLm 波形可见这个谐振过程开关管的关断电流 (即为ir的一部
分)很小，小于iLm，会使另一 MOS管的开通失去零电压开通的 条件，如图 6(b) 所
示，谐振回路呈容性。
从上面的仿真分析可知，当频率一定时负载越重桥臂中点间阻抗越易呈 容
性，负载越轻则易呈感性，更有利于开关管的零电压开
关。
3．2 与 f>fr 时的比较
在开关频率f0vfvfr的条件下谐振网络呈感性，有助于开关管的 ZVS开 通，
且在此频率范围内副边整流二极管的电流断续，从而实现了整流二极管的 零电流关
断，消除了反向恢复产生的损耗。
而f>fr时的不同就在于由于f>fr在S2开通期间Lr和Cr谐振，谐振 电流ir
大于激磁电流iLm, S1关断ir对C1、C2充放电ir下降，当S2ZVS开 通后 ir 迅速
下降，下降到 ir=iLm 没有能量传送到副边，此时副边整流二极管 完成换流，开始了
另半个周期对称的工作过程，可见 Lm—直未参与谐振，更像
是普通谐振，同时整流二极管上电流连续，换流时会由于反向恢复带来损耗。
4 实验结果与波形
在上述理论分析的基础上构建了一个 270V输入，360V输出，300W的
LLC谐振半桥变换器，主开关管选用IRF460,畐他整流二极管选用DSEII2 — 12A,变
压器原副边匝比n=0. 342,谐振网络参数为Lr=27 . 4卩H, Lm=137i H, Cr=92nF。如
图7所示，VAB为桥臂中点电压，ir为谐振回路电流 的实验波形图。图8和图9分别
是满载与轻载时上、下两个 MOST的vgs和 vds 波形，从实验中也可以看出即使在
较轻负载的情况下仍然能满足开关管零 电压开通的条件，LLC谐振变换器能在宽范围
内实现零电压开关，在 300W时其
Vo
变换效率可达 95％以上。
5 结语
本文对LLC型串并联谐振半桥变换器在fOvfvfr频率范围内的工作情况 作了
详细分析，并对三种主要负载情况进行了仿真分析，并针对设计中的几个 主要参数及
其对变换器设计与应用产生的影响做了叙述，最后给出了实验结 果。