《ST LLC 电路的基本原理分析与公式推导》深入剖析了LLC谐振变换器的工作机制及其在电力电子领域的应用价值，详细探讨其设计参数和性能优化方法。
### ST LLC 电路基本原理分析及公式推导
#### 概述
ST LLC 电路是一种广泛应用在开关电源(SMPS)中的高频变换器技术。它以其高效率、低电磁干扰(EMI)特性以及简化的设计流程而受到青睐。本段落旨在深入解析ST LLC 电路的基本原理与设计方法，并通过具体的实例来辅助理解。
#### LLC系列谐振半桥变换器的操作与波形特征
LLC系列谐振半桥变换器基于半桥拓扑结构，结合了谐振元件（电感和电容）形成一个独特的谐振网络。这种拓扑具有以下特点：
- **多谐振LLC谐振腔**：由电感 \( L_s \)、\( L_p \) 和电容 \( C_r \) 组成。
- **变频控制**：通过调整开关频率 \( f_{sw} \) 来调节输出电压或功率。
- **固定占空比**：两个半桥开关管 Q1 和 Q2 的占空比被设定为 50%，以确保在任何工作模式下都能实现零电压开关(ZVS)。
- **死区时间**：在高低侧开关切换时引入死区时间，确保 MOSFET 在开启前完全关断，从而实现 ZVS。
#### 波形分析
在谐振状态下，LLC 变换器展现出了一系列独特的波形特征：
- **变压器电流**：磁化电流呈现三角波形，而谐振腔电流则为正弦波。
- **二极管电压和电流**：在特定条件下，可以实现零电流开关(ZCS)，减少开关损耗。
- **中间点电压和谐振电容电压**：这些波形有助于了解谐振过程及其对系统性能的影响。
#### 简化模型与设计方法
为了简化设计过程并提高设计效率，采用了一种简化的模型——固定谐振频率(FHA)方法。该方法假设开关频率始终等于第一个谐振频率 \( f_{r1} \) 或第二个谐振频率 \( f_{r2} \)，从而简化了设计计算。
- **谐振频率计算**：
- 第一个谐振频率 \( f_{r1} \) 为：
\[
f_{r1} = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_s C_r}}
\]
- 第二个谐振频率 \( f_{r2} \) 为：
\[
f_{r2} = \frac{1}{2\pi \sqrt{(L_s + L_p) C_r}}
\]
- **设计步骤**：
1. 确定谐振元件参数：根据负载条件和所需的开关频率范围来选择合适的 \( L_s \)、\( L_p \) 和 \( C_r \) 值。
2. 计算谐振频率：利用上述公式计算 \( f_{r1} \) 和 \( f_{r2} \)。
3. 选择工作模式：根据设计需求，确定是在 \( f_{r1} \) 还是 \( f_{r2} \) 下工作。
4. 设计其他组件：包括变压器、整流器等。
#### 设计案例分析
为了更好地理解和应用上述理论，下面通过一个具体的设计案例来进行详细分析。
**案例概述**：设计一个300W的LLC变换器，目标效率大于96%。
1. **初步参数设定**：
- 输入电压范围：90V 至 264V AC
- 输出电压：12V DC
- 输出电流：25A
- 开关频率范围：100kHz至200kHz
2. **谐振元件选择**：
- 为了满足高效能要求，选择适当的 \( L_s \)、\( L_p \) 和 \( C_r \) 值。例如，假设 \( L_s = 10\mu H \)，\( L_p = 15\mu H \)，以及 \( C_r = 22nF \)。
3. **谐振频率计算**：
- 计算 \( f_{r1} \) 和 \( f_{r2} \)：
\[
f_{r1} = \frac{1}{2\pi \sqrt{10\mu H \times 22nF}} \approx 107kHz
\]
\[
f_{r2} = \frac{1}{2\pi \sqrt{(10\mu H + 15\mu H) \times 22nF}} \approx 87kHz
\]
4. **工作模式选择**
5星
