LLC变压器系列1：详谈LLC谐振变压器理论基础及设计要点分析

原创 磁性元器达人 磁性元器达人 磁性元件达人 2026年1月27日 05:55 广东 

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LLC变压器是谐振变换器的核心，它同时承担能量传递和参与谐振。其设计核心在于精确控制励磁电感与漏感，以实现全负载范围的零电压开关（ZVS），这与传统开关电源变压器的设计思路有本质区别。

下面梳理了它的设计流程、关键要点与材料参考：
�� LLC变压器的设计流程与要点
第一阶段：确定规格与初始参数
· 关键步骤：明确输入/输出电压、功率、谐振频率；初步计算变压器匝比。
· 核心目标与要点：确定变换器的基本工作点。变压器匝比计算公式通常为N= (Vout_min+Vf+Vdrop)/Vin_min，其中Vf为二极管压降，Vdrop为线路压降。

第二阶段：关键磁性参数设计
· 关键步骤：确定谐振网络参数（Lr, Cr, Lm）；将漏感设计为目标谐振电感（Lr）。
· 核心目标与要点：这是设计的核心。需利用基波近似法（FHA）计算增益曲线，确保满足输入电压范围。励磁电感（Lm）与漏感（Lr）的比值（k=Lm/Lr）是影响增益和ZVS的关键，通常k值在3-10之间。最关键的一步是，将变压器自身的漏感作为谐振电感Lr使用，这可以省去一个独立电感，实现磁集成和高功率密度。

第三阶段：磁芯、绕组与损耗设计
· 关键步骤：选择磁芯材料与型号；设计绕组结构（匝数、线径、绕法）；评估铜损与磁芯损耗。
· 核心目标与要点：实现高效率与温升控制。需选用高频低损耗磁材（如PC95、PC98）。高频下趋肤效应和邻近效应显著，应采用多股利兹线、PCB多层交错绕制或扁平绕组来降低交流电阻。设计时必须考虑谐振回路增益导致的实际工作磁通密度高于计算值，防止低压输入时磁芯饱和。

第四阶段：仿真、验证与迭代
· 关键步骤：进行电路仿真与有限元分析（FEA）；制作原型样机；测试性能（效率、温升、波形）。
· 核心目标与要点：验证并优化设计。可使用仿真软件验证LLC工作波形。绕制样机后，必须准确测量实际漏感与励磁电感值，它们可能与设计值存在偏差，需评估对谐振频率的影响。

�� 重要设计细节与技巧
· 避免饱和：计算原边最小匝数时，必须乘以最大增益系数，为漏感误差留有余量。
· 优化绕组：副边匝数少，取整误差大。建议先对副边匝数合理取整，再反推原边匝数，可减少比例误差。
· 抑制寄生振荡：副边绕组层间寄生电容与漏感可能引起空载电压偏高。可采用层间绝缘胶带隔离、正反绕组分绕来抑制。
· 进阶磁集成：在多相LLC或矩阵变压器中，可将多个磁芯或绕组集成在单一磁芯内，利用磁通抵消来减小体积，实现极高功率密度。

�� 深入学习与设计资源

深入细化LLC变压器的设计，聚焦于关键参数计算、磁芯/绕组实现的工程细节以及样机调试的核心方法。
�� 第一阶段：设计输入与谐振参数精细化计算
这一阶段的目标是将电气规格转化为可实现的磁性参数，核心是谐振腔设计。
· 1. 变压器匝比 (n) 的精确计算
  · 公式：n=Np/Ns = (Vin_nom/2) / (Vout + Vf+Vdrop) (半桥结构)
  · 要点：Vin_nom 通常取额定输入电压的中间值。Vf 为输出整流管压降（肖特基二极管约0.3V，同步整流MOSFET需考虑导通压降或估算损耗），Vdrop 为副边绕组和PCB走线的预估压降（通常取0.1-0.3V）。此匝比决定了在谐振频率点（增益为1时）的理想电压转换比。
· 2. 谐振腔参数 (Lr, Cr, Lm) 的深度设计
  · 设计依据：基于基波近似法，通过设定最大/最小增益需求来求解参数。
  · 关键比率：
.· 电感比 k：k=Lm/Lr。它是LLC设计的灵魂参数。
      · k值越小：变换器增益能力越强，但谐振电流峰值越大，导通损耗增加，且ZVS范围可能变窄。
      · k值越大：谐振电流减小，但增益能力弱，需要更宽的工作频率范围来调节。
 ·经验范围：对于通用输入（85-265VAC），k值通常在3~7之间；对于窄电压输入，k值可到7~10或更高。
  · 设计流程：
    1. 确定最大/最小归一化增益：
· Mmax=(Vout*n) / Vinmin (对应最低输入电压)
· Mmin=(Vout*n)/Vinmax (对应最高输入电压)
    2. 选择k值：根据经验初选一个k值（如5），利用增益曲线公式或查表，验证在期望的归一化频率范围内（如f_n_min ≈ 0.7， f_n_max≈1.5）能否覆盖M_max和M_min。通常需要通过迭代计算或使用MathCAD、Excel等工具来优化k值。
    3. 计算谐振腔参数：
  · 首先确定谐振角频率 ωr = 2π*fr，fr通常设定在效率最优点（如100-300kHz）。
   .· 设定额定输出功率Po和目标效率η，计算特征阻抗Z0=√(Lr/Cr) = (n^2 Vo^2) / (ωr Po η) （简化公式，用于估算）。
 · 继而求解Cr=1/ (ωrZ0)， Lr = Z0^2 Cr， Lm = k Lr。

�� 第二阶段：磁芯与绕组设计的工程实现
这是将电气参数物理化的核心，决定最终性能。
· 1. 磁芯选择与气隙设计
  · 选型原则：优先选择低损耗、高Bsat的高频材料（如TDK PC95/PC98， Ferroxcube 3F36）。根据面积乘积法(AP法) 或几何常数法(Kg法) 初选型号。

  · 气隙的核心作用：
    · 调节励磁电感Lm：这是最直接的目的。气隙大小与电感量近似成反比。
    · 控制漏感Lr：LLC变压器的精髓在于将变压器自身的漏感作为谐振电感Lr。气隙位置和绕组排布对漏感有极大影响。
  · 实现方法：
    · 分离式：在磁芯中柱磨一个集中气隙。优点是调节Lm方便，但漏感较小且不易控制。
    · 分布式（推荐）：使用磁芯垫片（如0.05mm/0.1mm厚的NOMEX纸），将气隙均匀分布在磁芯中柱和外圈。此法能显著增大并稳定漏感，是实现磁集成的关键。最终气隙长度需通过绕组绕制后的实测电感来精确调整。
· 2. 绕组设计与损耗最小化
  · 目标：在给定窗口面积内，实现所需匝数，并最小化高频趋肤效应和邻近效应带来的交流电阻。
  · 层间结构（决定损耗和漏感）：
    · 原副边夹绕（Sandwich Winding）：例如结构为 [P1, S1, S2, P2]。这能有效减小漏感，但会增加原副边间的分布电容。
    · 三明治绕法（原边夹副边）：例如结构为 [P1, S1+S2, P2]。这是LLC最常用的折中方案，能在获得合理漏感的同时，平衡电容和损耗。
    · 分区绕法（Zonal Winding）：原边和副边完全分开绕制。这会产生最大的漏感，适用于需要大漏感的设计。
  · 导体选择：
    · 多股利兹线：是应对趋肤效应的标准方案，股数根据频率选择（如100kHz可用100-200股）。
    · 扁平铜箔或PCB绕组：用于平面变压器，能提供更大的表面积，有效降低交流电阻，易于实现自动化。
    · 绕组顺序技巧：为平衡两半原边绕组的漏感，可采用双线并绕原边P1和P2，确保两者对称。

��️ 第三阶段：样机调试与关键验证
设计必须通过实测来验证和修正。
· 1. 关键参数测量
  · 励磁电感 Lm：短路所有副边绕组，在原边测量得到的电感即为Lm。需在小信号（如1V, 100kHz） 下测量，避免磁芯饱和。
  · 漏感 Lr：短路目标副边绕组（如计划用于谐振的那一组），在原边测量得到的电感即为该副边绕组对应的漏感。此漏感值应尽可能接近你设计的谐振电感Lr值。
  · 提示：测量值会与设计值有偏差，这是正常的。通常以实测值作为最终谐振参数，并可能需微调气隙或匝数。
· 2. 波形测试与问题排查
  · 健康波形特征：在额定负载、谐振频率附近，原边开关管（MOSFET）的漏-源极电压(Vds) 应在死区时间内谐振到零并保持，实现ZVS；谐振电流近似正弦波。
  · 常见问题与对策：
    · 轻载时副边电压飙高：原因是副边寄生振荡。对策是：在副边整流管两端并联小容量高频瓷介电容（如100pF-1nF） 或使用RC缓冲电路。
    · 重载时效率下降明显：检查MOSFET是否实现ZVS（看Vds波形），未实现则可能k值过大或死区时间不足；检查磁芯和绕组温升，判断是铁损还是铜损过高。
    · 启动或动态负载时异常：检查控制器的软启动、过流保护(OCP)点设置是否合理。LLC的增益曲线非线性，需确保在整个工作范围内都有合适的增益。

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