llc諧振電路工作原理及參數(shù)設(shè)計 LLC諧振電路圖

LLC諧振電路是一種基于諧振振蕩原理工作的電力轉(zhuǎn)換電路，以其高效率、低電磁干擾和寬輸入輸出范圍等特點，在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

一、LLC諧振電路工作原理

LLC諧振電路主要由開關(guān)電路、諧振電路以及整流電路三個部分組成。其工作原理可以概括為：通過控制開關(guān)管的開關(guān)時間和頻率，使得諧振電路中的電感、電容和變壓器之間產(chǎn)生諧振振蕩，從而實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。

1. 開關(guān)電路

開關(guān)電路通常由MOSFET等開關(guān)器件構(gòu)成，負責控制電路的通斷。在LLC諧振電路中，開關(guān)電路的工作狀態(tài)對諧振電路的影響至關(guān)重要。

2. 諧振電路

諧振電路是LLC諧振電路的核心部分，由諧振電感Lr、諧振電容Cr以及勵磁電感Lm組成。這些元件與變壓器原邊連接，形成諧振回路。當開關(guān)管導通時，輸入電壓通過主線圈和諧振電容形成諧振回路，諧振電流開始增加。隨著諧振電流的增加，副線圈開始感應(yīng)出電壓，并通過輸出整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓供給負載。當開關(guān)管關(guān)斷時，諧振電流繼續(xù)通過變壓器的副線圈和諧振電容進行諧振，直到下一個開關(guān)周期開始。

3. 整流電路

整流電路通常由二極管等整流元件構(gòu)成，負責將變壓器輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并驅(qū)動負載工作。

4. 工作模態(tài)

LLC諧振電路的工作模態(tài)可以根據(jù)開關(guān)頻率和諧振頻率的關(guān)系進行劃分，主要包括欠諧振模式、準諧振模式和過諧振模式。在不同的工作模態(tài)下，電路的工作特性和效率會有所不同。

• 欠諧振模式 ：當開關(guān)頻率小于第一諧振頻率時，電路工作在欠諧振模式。此時，諧振電流和勵磁電流的變化較為復雜，但電路仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。
• 準諧振模式 ：當開關(guān)頻率等于諧振頻率時，電路工作在準諧振模式。此時，電路具有最高的效率，是最佳工作點。
• 過諧振模式 ：當開關(guān)頻率大于諧振頻率時，電路工作在過諧振模式。此時，ZVS始終存在，但根據(jù)負載的不同，諧振電流會發(fā)生變化。
  LLC諧振電路簡單高效，由于諧振腔的存在，不僅可以保證負載在大范圍變化時一次側(cè)開關(guān)管的 ZVS 導通，還可以實現(xiàn)二次側(cè)開關(guān)管的 ZCS 關(guān)斷，同時減輕了一二次側(cè)開關(guān)管的電壓應(yīng)力。此外電路的電壓增益隨開關(guān)頻率變化的特性，使得電路可以工作在BUCK/BOOST模式，而且在輸入電壓和負載大范圍變化時都具有很好的電壓調(diào)節(jié)特性，這些優(yōu)勢讓 LLC電路一直是研究的熱點。

傳統(tǒng)的 LLC 諧振變換器輸入端采用半橋結(jié)構(gòu)，經(jīng)二次側(cè)帶中心抽頭的高頻變壓器與輸出端相連,采用二極管整流實現(xiàn)直流輸出。這種電路結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)功率的雙向流動，為解決這個問題，將全橋結(jié)構(gòu)引入 LLC 諧振，形成雙向全橋 LLC 諧振型 DC-DC 變換器如下圖 所示。

雙向全橋LLC 諧振型 DC-DC 變換器

雙向全橋 CLLC 諧振型DC-DC 變換器在完全保留 LLC 諧振電路優(yōu)點的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了功率的雙向流動并且變換器正反向工作過程完全對稱，近年來成為了雙向變換器領(lǐng)域的研究熱點，成果廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

二、LLC諧振電路參數(shù)設(shè)計

LLC諧振電路的參數(shù)設(shè)計對于電路的性能和效率具有重要影響。以下是一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計考慮：

1. 諧振頻率

諧振頻率是LLC諧振電路的重要參數(shù)之一，它決定了電路的工作頻率范圍。諧振頻率的選擇應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求來確定，一般在10kHz至1MHz之間。諧振頻率的選擇需要綜合考慮電路的功率密度、開關(guān)損耗和電磁兼容性等因素。

2. 諧振電容和諧振電感

諧振電容Cr和諧振電感Lr是構(gòu)成諧振回路的關(guān)鍵元件。它們的取值決定了諧振頻率的大小和電路的諧振特性。在選擇諧振電容和諧振電感時，需要根據(jù)電路的輸入電壓、電流和功率等參數(shù)進行計算和匹配。

3. 勵磁電感

勵磁電感Lm在LLC諧振電路中起著重要的作用。它不僅參與諧振過程，還影響電路的電壓增益和負載能力。勵磁電感的取值需要根據(jù)電路的負載需求和電壓增益要求來確定。

4. 開關(guān)頻率

開關(guān)頻率是控制LLC諧振電路工作狀態(tài)的重要參數(shù)。通過改變開關(guān)頻率，可以調(diào)節(jié)諧振回路的阻抗和電流波形，從而控制變換器的輸出功率。開關(guān)頻率的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計的功率和諧振頻率來決定。高頻率有助于提高功率密度，但也會增加開關(guān)損耗。

5. 觸發(fā)角度

觸發(fā)角度控制開關(guān)管的導通時間，決定了電路的輸出功率。合適的觸發(fā)角度可以減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高電路的效率。觸發(fā)角度的設(shè)計需要根據(jù)電路的具體需求和開關(guān)管的特性來確定。

6. 能量傳輸比

能量傳輸比是表征能量從輸入到輸出傳輸效率的重要參數(shù)。在設(shè)計LLC諧振電路時，需要考慮開關(guān)管和電容的損耗以及電感的耗能等因素，以確保能量傳輸比達到設(shè)計要求。

三、總結(jié)

LLC諧振電路通過合理的參數(shù)設(shè)計和控制策略，可以實現(xiàn)高效率、低電磁干擾和寬輸入輸出范圍的電力轉(zhuǎn)換。在實際應(yīng)用中，設(shè)計者需要根據(jù)具體需求來確定諧振頻率、諧振電容、諧振電感、勵磁電感、開關(guān)頻率和觸發(fā)角度等參數(shù)，以確保電路的性能和效率滿足要求。同時，還需要考慮電路的可靠性和穩(wěn)定性等因素，以確保電路在各種工況下都能正常工作。