全桥LLC谐振变换器概述及MATLAB仿真
一、全桥LLC谐振变换器概述
1.全桥LLC谐振变换器概述
1.1. 高效率
- 零电压开关 (ZVS)：LLC谐振技术能够实现开关管在零电压条件下导通。通过谐振电路的作用，开关器件的电压可以在导通之前降至零，从而减少开关损耗，提高转换效率。
- 零电流开关 (ZCS)：LLC谐振技术还可以实现副端二极管的零电流关断，这有效解决了副端二极管的反向恢复问题，避免了因二极管反向恢复产生的高压尖峰，进一步提高效率并减少器件的应力。
1.2. 降低变换器环流损耗
在传统的移相全桥软开关技术中，存在较大的环流损耗。而LLC谐振技术由于在关断时谐振电流较小，能够大幅减小环流损耗。这对于提高变换器的效率、减少器件的发热非常关键，尤其是在大功率场景下。
1.3. 宽范围的软开关环境
LLC谐振技术可以在较宽的输入电压和负载范围内实现软开关操作。这意味着即使输入电压或负载条件发生较大变化，仍然可以保持较高的效率。传统的移相控制全桥虽然也能实现软开关，但软开关实现的范围通常较窄，负载变化时可能无法维持软开关。
1.4. 结构相对简化
与其他软开关拓扑不同，LLC全桥谐振变换器不需要额外的辅助电路（如有源钳位电路等）来实现软开关。这不仅简化了电路结构，提高了可靠性，还减少了控制的复杂性和器件成本。
1.5. 解决二极管反向恢复问题
在传统全桥拓扑中，副边二极管的反向恢复会产生尖峰电压，增加了对器件的应力并导致效率下降。而LLC谐振技术通过实现二极管的零电流关断，避免了反向恢复的发生，从根本上解决了这个问题，提高了变换器的可靠性和效率。
1.6. 适用于高功率场合
LLC全桥谐振变换器特别适合大功率场合。全桥拓扑结构能够分担更大的功率，同时与LLC谐振技术相结合，在保持高效率的同时降低损耗。这使其成为大功率、高效率应用中的理想选择。
2.变换器主电路拓扑结构
由开关管 S1-S4 构成全桥拓扑结构。图中，谐振腔中的谐振电感与变压器的励磁电感分别用 Lr 和 Lm 表示，Cr 为谐振电容。
使用中心抽头式隔离变压器者构成的输出整流电路具有高效率的优势，但绕制较为困难。
D5、D6 组成输出整流电路，最后通过输出电容 C2 进行滤波后得到直流输出电压。
3.LLC变换器基本原理
全桥逆变电路输出一定频率的方波电压，在LLC、或LC谐振回路中产生滞后于基波电压的基波电流，从而在功率器件的开通时刻使得电流流过其反并联二极管（将功率器件两端电压钳位为零），实现零电压开通，进而实现DC-DC变换器的软开关。
4.LLC 全桥变换器稳态能量传输过程
LLC 变换器属于多谐振变换器中的一种，根据变换器的工作状态，LLC 变换器的谐振腔实际组成在 Cr、Lr 与 Cr、Lr、Lm 两种结构之间自动切换，因此， 变换器的谐振频率主要包含两种，一种为第一谐振频率 f1(fr)
另 一种为第二谐振频率 f2
根据变换器工作频率与第一谐振频率 1f 及第二谐振 2 f 的关系可将变换器的 稳态工作区间分为三部分，分别为 fs > fr, fs=fr, f2< fs <fr ，不同区间内， 变换器工作特性不同。
假定变换器的输出电容足够大，输出电压恒定。
4.1.fs < fr时变换器能量传输过程
变换器主要包含 6 个模态。
稳态运行波形如下：
模态 1(t0~t1)
- 所有开关管关断，该过程为硬关断，电路进入死区状态,四只开关管的寄生电容在谐振电流 Ir 的作用下开始对其中的能量进行相互转移交换。由于谐振腔的阻抗特性为感性，谐振腔电流 Ir 相位滞后于电压，电流方向仍保持负方向。S1，S3 寄生二极管 的钳位电压解除，此后谐振电流通过寄生二极管进行续流，谐振腔电流流经S1体二极管 - Uin - S3体二极管 ，形成回路电流，这个过程因为电流在S1和S3的体二极管中正向导通，导致S1和S3的电压降为0，这就为零电压开通做了准备。
- 由于谐振腔的作用， 励磁电感两端电压达到副端导通电压阀值，此时整流二极管 D5 在下一模态导通，励磁电感被副端电压钳位，退出谐振腔，流过 D5 的电流在下一模态开始由 0 缓慢上升（谐振腔电流开始大于励磁电流），二极管实现零电流开通。
- 谐振腔电流也流经S4的体电容 - Uin - S3的体电容，为电容充电，使得S4和S2两端电压差都为Uin。
模态 2(t1~t2)
开关S1和S3导通，谐振电流 Ir 变为正方向，开关管 S1、S3 内部开始流过电流，此时SI和S2在上一模态因为谐振腔电流的原因，电压为0，因此为零电压开通。此模态下，谐振腔电流大于励磁电流，右侧有电流流过，二极管 D5 导通，但励磁电感 Lm 两端仍然被副端电压钳位，励磁电流缓慢上升。
模态 3(t2~t3)
在此模态内，谐振电流 Ir 与励磁电流 ILm 保持等大同向，变压器原端电流下降为 0，副端整流二极管 D5 停止导通，二极管 D5 实现零电流关断，负载能量完全由输出电容 Co 提供。由于副端停止导通，副端电压对励磁电感的钳位作用消失，此时谐振腔由 Lm、Lr、Cr 组成，电路谐振频率为 f2
接下来的模态与以上模态对称。
4.2.fs = fr时变换器能量传输过程
4.3.fs > fr时变换器能量传输过程
在这个情况下，副端没有实现零电流关断。
5.学习参考：
《全桥LLC谐振变换器研究》 -- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文--黄贺
https://zhuanlan.zhihu.com/p/565385250
二、全桥LLC开环模型MATLAB仿真
1.MATLAB仿真模型
1.1.仿真电路图
1.2.器件参数设置
直流电压源：380V
保护电阻：1毫Ω
MOS体电容：200e-12
谐振电感：0.519毫亨
谐振电容：19.519e-9F
变压器励磁电感：1.817毫亨
变压器：
副端二极管：
输出电容：1.45微法
输出电阻：4Ω
定步长：
2.fs = fr的情况
2.1.设置PWM频率
G1 G4 50KHz
G2 G3 50KHz
2.2.实验结果
总结：
- 如上图，第一个波形为G1和G2的开通时间；第二个波形为G3和G4 的开关时间；第三个波形为谐振腔电流（黄）和励磁电流（蓝）的波形；第四个波形为副端二极管S1（黄）和S2（蓝）的电流波形；
- 当fs = fr 的时候，即电压源频率等于谐振频率的时候，实验的波形和上述概论波形一致；
- 由第四个波形可知，在副端已经实现了零电流关断。
总结：
- 第一个波形为MOS开关G4的开关，第二个为G4的两端电压；
- 由图可知，在G4打开之前，两端电压已经降为0，由于谐振腔电流的存在，实现了零电压开通；
3.fs < fr的情况
40KHz
总结：
总结：
- 在这种情况下实现了零电压开通。
- 谐振腔电流和励磁电流相等的时间变长，这期间的谐振频率为f2；
4.fs > fr的情况
150KHz
总结：
- 在这种情况下由图中第四个波形可知，并没有实现零电流关断，开关关断的时候副端电流还很大；
总结:
- 第一个是当前情况下的输入和输出电压，第二个是在谐振频率下的输入和输出电压，可见明显降低，在谐振频率下的输出电压就是输入电压和变压器匝数比产生的结果，而当前情况下的输出电压降低是因为频率升高进而导致此时电感的阻抗变得更大，导致电路的总阻抗上升，输出电压减小。