隨著現代電力電子技術的發展，開關電源越來越趨于高頻化、集成化、模塊化。提高換流器開關頻率能有效減小無源器件的體積，提高功率密度，并獲得更加平滑變化的波形。較小的電壓/電流變化率還能改善系統的電磁兼容性，有效降低開關噪聲。

諧振變換器以諧振電路為基本的變換單元，利用諧振時電流或電壓周期性的過零，從而使開關器件在零電壓或零電流條件下開通或關斷，即實現軟開關效應，以達到降低開關損耗來提高效率的目的。諧振變換器與硬開關 PWM 變換器相比，具有開關頻率高、效率高、關斷損耗小、體積小、EMI 噪聲小、開關應力小等諸多優點。

諧振拓撲的種類很多，其中 LLC 諧振變換器具有原邊開關管易實現全負載范圍內的 ZVS，次級二極管易實現 ZCS，以及輸入電壓范圍寬等優點，得到了當前業內廣泛的關注。

本文將通過典型全橋LLC拓撲的分析及仿真來介紹基于 eHS的高頻LLC變換器（78kHz~196kHz）實時仿真案例 。

01 LLC諧振變換器簡介

LLC諧振變換器是一種改進型的LC串聯諧振變換器，通過在變壓器初級繞組放置一個并聯電感而得以實現（如圖1所示）。采用并聯電感可以增加初級繞組的環流，有利于電路運行。由于這個概念不直觀，在該拓撲首次提出時沒有受到足夠的重視。然而在開關損耗相比通態損耗占主導比重的高輸入電壓應用中，卻明顯有利于效率的提高。在大多數實際設計中，該并聯電感采用變壓器的勵磁電感。

▲ 圖1 全橋LLC諧振變換器

一般情況下，LLC諧振變換器拓撲主要包括如圖1所示的3級電路：高頻開關換流橋，諧振網絡（LLC諧振艙與變壓器），整流網絡。

0****1

高頻開關換流橋負責轉換直流電壓為高頻方波電壓Vsw。該電壓往往通過占空比為50%的PWM交替驅動開關組S1,S4 和S2,S3 來實現。 在實際工程中，PWM會引入一個較小的死區時間。

0****2

諧振網絡濾除高次諧波電流。 在本質上，即使方波電壓施加到諧振網絡上，也只有正弦電流容許流過該諧振網絡。 通過合理的設計參數，可使諧振電流滯后于施加到諧振網絡上的電壓(即被施加到半橋圖騰柱上的方波電壓Vsw的基波分量)，容許開關零電壓開通 。

03

整流器網絡產生直流電壓，采用整流器二極管和電容對交流電進行整流。 整流器網絡可以設計成帶有容性輸出濾波器的全波整流橋或對應的中心抽頭配置。

諧振網絡的濾波作用可以采用基波近似原理（Fundamental harmonic approximation），獲得諧振轉換器的電壓增益，這需要假定方波電壓的基波分量輸入到諧振網絡，并傳輸電能至輸出端。 由于次級端整流電路可作為阻抗變壓器，所以其等效負載電阻與實際負載電阻并不相同。

諧振變換器增益=開關換流橋增益 * 諧振艙增益*變壓器變比（Ns/Np）

當開關換流橋為全橋拓撲時增益為1，半橋拓撲時增益為0.5。

諧振艙增益可以由下圖FHA等效電路求出：

▲ 圖2 等效諧振電路

其中 （公式點擊可放大） ：

，品質因數；

，初級等效負載電阻；

，歸一化頻率；

，串聯諧振頻率；

，串并聯諧振頻率；

，諧振電感因數。

通過對諧振艙增益K，歸一化頻率Fx在不同品質因數Q和諧振電感因數m下描點可得LLC諧振變換器的典型增益曲線圖。圖3為m=6時的一組LLC諧振變換器典型增益曲線圖。

▲ 圖3 LLC諧振變換器的典型增益曲線（m=6）

如上圖所示，低品質因素曲線為輕載運行曲線，高品質因數曲線為高載運行曲線，且所有曲線均由一個單位增益并通過串聯諧振頻率基點（Fx=1）。要實現開關的零電壓開通，需要使諧振網絡的輸入電流滯后于輸入電壓的基波，即要求LLC諧振變換器工作在上圖的感性區。

02 LLC諧振變換器的工作模式

由于LLC諧振變換器基于頻率調試的特性，根據不同的輸入電壓和負載等級，可有如下幾種工作模式：

1. 開關頻率等于串聯諧振頻率，fs=fr。
2. 開關頻率大于串聯諧振頻率，fs>fr。
3. 開關頻率小于串聯諧振頻率且大于串并聯諧振頻率，fr>fs>fm。

▲ 圖4 LLC諧振變換器的3種典型工作模式

上述三種工作模式會包含下述一種或全部工況：

A

功率傳遞工況

此工況會在開關周期中發生2次。第一次為當諧振艙為正電壓激勵時，諧振電流在第一個半開關周期為正方向（圖5）。第二次為當諧振艙為負電壓激勵時，諧振電流在第二個半開關周期為負方向（圖6）。

▲ 圖5

▲ 圖6

在功率傳遞工況下，當勵磁電感電壓等效為正/負電壓時，勵磁電流為相應的充/放電狀態。故諧振電流與勵磁電流的變化通過變壓器與整流網絡傳遞到負載上。

B

慣性工況

此工況通常在功率傳遞工況后且當諧振電流等于勵磁電流時，故僅在fm

▲ 圖7

▲ 圖8

fs=fr

每半個開關周期包含完整的功率傳遞工況，即半開關周期運行了完整的半諧振周期。且在半開關周期的結尾ILr=ILm, 整流電流為0。

**fs>fr **

每半個開關周期包含部分功率傳遞工況。

**fr>fs>fm **

每半個開關周期包含一個功率傳遞工況。當諧振半周期結束時，ILr=ILm，進入慣性工況直到半周期結束。

表1 LLC諧振變換器的3種工作模式

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03 LLC諧振變換器的實時仿真實現

基于LLC諧振變換器的高頻工作特性，如何將LLC諧振變換器精準的實時離線化建模仿真，已成為業內重點關注的難題之一。OPAL-RT結合25年實時仿真技術研發背景和電力電子領域的強大實踐經驗，通過使用eHS（當前業內最強大的，最簡便易用的基于FPGA的電力電子硬件解算器）提供了高精確的LLC諧振變換器實時仿真方案。該方案兼備高精確、高性能與低延遲等優點，可為電力電子工程師提供成熟可靠的基于FPGA的LLC諧振變換器仿真平臺。

以下圖基于Simulink的SimPowerSystem的LLC諧振變換器離線模型為例：

▲ 圖9 LLC諧振變換器SPS離線模型

通過OPAL-RT新一代電路編輯器Schematic Editor搭建等效的LLC諧振變換器模型：

▲ 圖10 LLC諧振變換器的SE等效模型

開關換流橋的高頻門信號通過RT-LAB PWMO模塊送出，經由DB37 loopback線送入到eHS的DIN數字輸入端口來驅動對應的開關管。將eHS LLC諧振變換器的輸出通過RT-LAB FPGA scope（最大采樣率為eHS的FPGA模型仿真步長）抓取與Simulink SPS離線模型進行對比。

01

**fs=fr (fr=95.1kHz)**

▲ 圖11 實時仿真與SPS離線對比（fs=fr=95.1kHz）

02

**fs>fr (fs=196kHz, fr=95.1kHz)**

▲ 圖12 實時仿真與SPS離線對比（fs=196kHz>fr=95.1kHz）

03

**fr>fs>fm (fs=78kHz, fr=95.1kHz)**

▲ 圖13 實時仿真與SPS離線對比（fr>fs=78kHz>fm）

由上圖仿真結果可以看出，eHS對LLC諧振變換器的仿真結果在三種不同的運作模式下均與Simulink SPS離線有效實現了軟開關效應ZVS，且兩者結果高度匹配。通過與Simulink SPS離線仿真結果的對比，證明了eHS在處理高頻LLC諧振變換器的實時仿真結果是準確且高效的。

該仿真方案及其更高的開關頻率應用已在國內外多個新能源汽車和儲能研發公司成功實施和交付。