LLC諧振變換器仿真分析與設計——24V/8A、100kHz、半橋開關電源調頻控制器模型建立與測試。本文涉及文件均在附件中，請按提示下載，下載后請將PSpice仿真程序解壓到英文目錄下運行！
1、LLC諧振變換器工作原理分析
原始資料：AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).PDF
簡介：不斷提高的開關電源功率密度受到無源器件尺寸限制，當其工作于較高頻率時無源器件的尺寸能夠顯著降低——例如變壓器和濾波器，然而開關器件損耗卻大大提高。為使開關電源工作于高頻并降低整機損耗，經常采用諧振變換技術——電壓/電流按照正弦模式進行改變、開關器件處于軟開關狀態，因此大大降低開關損耗和系統噪聲。
在各種諧振變換器中，LC系列諧振變換器最簡單而且應用最廣泛——整流、負載網絡與LC諧振網絡相串聯，如下圖1所示，三者工作于分壓狀態。通過改變驅動電壓頻率使得諧振網絡阻抗變化，輸入電壓在諧振阻抗和反射負載之間進行分壓，所以LC系列諧振變換器的直流增益總小于1。輕載時負載電阻遠遠大于諧振網絡阻抗，所有輸入電壓都施加在負載上，故輕負載時調壓困難。從理論上講，負載開路時只有開關頻率無窮大時才能進行輸出電壓調節。
圖1 半橋LC系列諧振變換器
為了克服LC串聯諧振變換器限制，已經提出LLC諧振變換器。LLC諧振變換器通過將分流電感放置在變壓器初級繞組而實現LC諧振變換器改進，具體如圖2所示。當第一次提出該種拓撲時，由于對變壓器原邊循環電流的逆向考慮，該結構并未得到很多關注，然而當輸入電壓提高、開關損耗遠遠大于導通損耗時LLC拓撲非常有效。
圖2 半橋LLC諧振變換器
通常實際設計中利用變壓器磁化電感實現分流電感功能，LLC諧振變換器電路圖與LC系列諧振變換器相同，唯一區別在于磁化電感值。雖然串聯諧振變換器具有比LC系列諧振電感（）大得多的磁化電感值，但LLC諧振變換器中的磁化電感僅為的3?8倍，并且通常利用變壓器氣隙實現——量變到質變。
LLC諧振變換器在串聯諧振變換器領域具有許多優點：相對較小的開關頻率調節就能實現寬輸入電壓和寬負載變化，并且在全工作范圍內實現零電壓開關（ZVS）。即使考慮所有半導體器件的結電容和變壓器漏電感與磁化電感等所有基本寄生特性，LLC諧振變換器均能實現軟開關。
本應用筆記使用FSFR系列FPS™的LLC諧振半橋變換器進行實際設計，包括LLC諧振變換器工作原理分析、變壓器和諧振網絡器件計算與選型，按照設計實例逐步完成24V/8A的LLC諧振變換器。（AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).pdf）
本文核心：a、利用PSpice仿真對原始LLC資料進行學習，包括變壓器和調頻控制器模型建立、交流增益特性曲線繪制與分析；b、LLC諧振變換器開環分析和測試；c、LLC諧振變換器閉環分析和測試，包括負載效應測試、輸出電壓調節、源效應測試；d、本文未對LLC工作原理進行分析，需要者請詳細學習參考資料“AN-4151 Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™).PDF”。
2、LLC諧振變換器仿真測試
2.1、LLC諧振變換器基波等效法分析——PS：Test1，對應原始資料的Figure7
=100kHz、=57kHz、=400V、m=3時對LLC諧振變換器進行交流仿真測試，仿真電路、交流與負載仿真設置、仿真結果分別如下圖所示，仿真結果與論文一致，并且變壓器等效物理模型與數學模型功能相同，實際分析LLC電路時可以參考對比使用，以便針對不同拓撲采用不用形式的變壓器，以提高分析結果的準確度與效率。
通過分析LLC諧振變換器的增益曲線可知：無論負載如何改變，在諧振頻率處的增益總為1，如此便可通過在附件微調開關頻率進行輸出電壓調節。
LLC變換器增益測試電路——交流分析
交流仿真設置
負載設置——分別對應Q=0.25、0.5、0.75、1
利用變壓器等效物理模型測試的LLC增益傳輸特性曲線
利用變壓器等效數學模型測試的LLC增益傳輸特性曲線
2.2、LLC諧振變換器開環測試——PS：Test2，對應原始資料的Figure6、Figure30
=100kHz、=57kHz、=400V、m=3、滿載時對LLC諧振變換器進行開環仿真測試，仿真電路、瞬態設置、仿真結果分別如下所示：a、變換器工作于ZVS零電壓開關狀態；b、開關頻率=80k時輸出電壓穩態值=34.5V，=100k時輸出電壓穩態值=23.6V，=120k時輸出電壓穩態值=19.6V——通過改變開關頻率能夠進行輸出電壓調節。
輸出滿載時的測試電路——=100k、=400V、≈24V、≈8A
實際測試波形——滿載
仿真結果——滿載Load=1
實際測試波形——空載
仿真結果——空載Load=0.01
2.3、LLC諧振變換器閉環測試——PS：Test3，對應原始資料的Figure17、Figure28
=100kHz、=57kHz、=400V、m=5時對LLC諧振變換器進行閉環仿真測試，仿真電路、瞬態設置、仿真結果分別如下所示，包括源效應、負載效應、輸出電壓調節。
LLC諧振變換器電路——主電路+調頻控制+驅動
瞬態仿真設置
a、LSE=1、VSE=0——負載效應測試有效、輸出電壓調節無效，V1=V2=400；
輸出電壓=24V、負載電流增大時的測試波形與數據分別如下圖所示，由3.2A增大為6.386A時輸出電壓變化小于200mV，并且在2ms之內完全恢復至穩態。
輸出電壓與電流波形
b、LSE=0、VSE=1——負載效應測試無效、輸出電壓脈沖調節有效，V1=V2=400；
輸出電壓=23.9V時的開關周期為10.339us——=96.7kHz，輸出電壓=22.3V時的開關周期為8.644us——=115.7kHz，輸出電壓設置完成后控制電路能夠自動調節開關頻率，使得輸出電壓值與設置值一致——開關頻率越高、輸出電壓越低。
輸出電壓波形
輸出電壓=23.9V時的開關周期為10.339us——=96.7kHz
輸出電壓=22.3V時的開關周期為8.644us——=115.7kHz
c、LSE=0、VSE=0時輸出電壓穩態值測試：V1=400、V2=400；
輸出電壓設置值分別為Vout=22、24、26；
輸出電壓設置值Vout=22時的V(OUT)和驅動信號仿真波形
——開關周期為8.378us、開關頻率為=119.36kHz
輸出電壓設置值Vout=24時的V(OUT)和驅動信號仿真波形
——開關周期為10.274us、開關頻率為=97.33kHz
輸出電壓設置值Vout=26時的V(OUT)和驅動信號仿真波形
——開關周期為11.858us、開關頻率為=84.33 kHz
d、LSE=0、VSE=0時測試源效應：V1=400、V2=420；
輸出電壓與負載電流保持恒定時，改變供電電源VIN的瞬態值，測試反饋系統的穩定性與調節速度。測試波形如下圖所，V(IN)瞬間增大或者降低20V時輸出電壓V(OUT)對應增大或者減小約1V、并且在1ms之內完全恢復至穩態。
源電壓與輸出電壓波形
3、實際驗證
實際驗證包括測試電路、變壓器設計、實際測試波形與數據。
分析總結：
- 1、利用LLC諧振變換器能夠實現等效增益為1的調頻控制，改變頻率調節輸出電壓；
- 2、開關器件工作于ZVS狀態，如此以提高整機效率；
- 3、利用集成變壓器即可實現原副邊漏感和勵磁電感，以提高變換器的集成度。