1.LLC谐振变换器研究背景
在通信模块电源、工业辅助电源领域，通常需要将高压直流隔离变换为低压直流。传统硬开关 PWM 变换器依靠调节占空比稳压，随着开关频率提升，开关损耗显著增大，限制电源效率与功率密度。LLC 谐振变换器依靠谐振网络实现原边 ZVS、副边整流器件 ZCS，高频工况下损耗低、电磁干扰小，是隔离 DC-DC 优选拓扑。
2 拓扑结构与工作原理
2.1 主电路拓扑
全桥LLC谐振变换器主电路拓扑
主电路如图所示：原边 H 型全桥由 MOSFET1~MOSFET4 四只功率管组成；谐振网络包含谐振电感、谐振电容，变压器励磁电感作为 LLC 的第三谐振元件；高频隔离变压器实现电气隔离与电压变比；变压器副边接二极管全桥整流，经过输出滤波电容得到稳定直流电压，负载为电阻。
2.2 LLC 基本理论公式
LLC 电压增益由开关频率fs、谐振频率fr、励磁电感与谐振电感之比m、品质因数：Q共同决定。谐振频率：谐振频率：
，并联谐振频率：
（1）fs=fr：增益(M=1)，变换器工作在谐振点，无功损耗最小；
（2）fs<fr，增益(M>1)，升压区间，用来应对最低输入电压 340V 工况；
（3）fs>fr，增益(M<1)，降压区间，应对最高输入 400V 工况。
LLC 变换器工作区间一般在fm到fr 之间。全桥逆变电路输出交流方波幅值等于输入直流电压，加在 LLC 谐振网络两端。谐振网络选频传递基波能量，经变压器降压，副边全桥二极管整流、电容滤波后得到低压直流输出。在合理频率区间，原边 MOS 实现 ZVS 开通，副边二极管实现 ZCS 关断，降低开关损耗。
2.3调频（PFM）控制策略原理
LLC 变换器不采用 PWM 占空比调节，而是采用脉冲频率调制 PFM（调频控制），核心思想：保持驱动脉冲占空比基本不变，通过改变开关频率fs，改变谐振网络电压增益，从而实现输出电压稳压。LLC 谐振网络是一个带通谐振网络，电压增益M随开关频率fs变化：
（1）fs = fr：谐振状态，增益 M=1，谐振网络阻抗最小，能量传输效率最高；
（2）fs < fr（低于谐振频率）：谐振网络呈感性，增益M>1，升压区。输入电压偏低、或者负载加重、需要提升输出电压时，控制器降低开关频率，提升增益；
（3）fs > fr（高于谐振频率）：谐振网络呈容性，增益M<1，降压区。输入电压偏高、或者负载减轻、需要压低输出电压时，控制器提高开关频率，降低增益。
调频控制的核心逻辑：输出电压偏低→降低开关频率，增大增益；输出电压偏高→提高开关频率，减小增益。
3. MATLAB/Simulink 仿真模型搭建
基于 MATLAB/Simulink 搭建仿真模型，对稳态、负载突变、输入电压扰动工况开展仿真验证。本文设计指标：输入直流电压Vin=340-400V，额定输出Vo=24V，额定功率Po=192W，副边采用二极管全桥整流，控制采用 PFM 调频闭环控制。
3.1模型搭建
主电路模型搭建如下，主要包括直流输入源：可设置 340V~400V，支持阶跃扰动，模拟输入电压波动；全桥逆变单元：4 个 MOSFET 器件；LLC 谐振网络：谐振电L_r、谐振电容C_r，带励磁电感的高频变压器；副边电路：二极管构成全桥整流电路 + 输出滤波电容Co，负载电阻Ro；
主电路仿真模型
控制电路模型包括：闭环控制子系统（PFM 调频）：输出电压采样、PI 控制器、频率限幅模块、PFM 驱动生成模块；
控制电路仿真模型
3.2仿真结果与分析
3.2.1 稳态仿真测试（输入 360V，满载 192W）
输入直流电压Vin=360V满载工况下的仿真波形
输入直流电压Vin=360V满载工况下的仿真波形,从上到下分别为输入电压、输出电压、开关频率、输出电流波形，从图中可以看出输入电压Vin在360V时，经过闭环调整输出电压Vo经过短暂调节后稳定在 24V 额定值；输出电流稳态稳定在 8A，输出功率192W。开关频率F_s在上电初始时刻处于较高值，随后快速下降并收敛至约 75.5kHz。
输入直流电压Vin=360V满载工况下的仿真波形
从上到下分别为谐振电流，mosfet2 的的 DS 电压，电流、和驱动信号波形，从图中可以看出谐振电流Ip：波形近似正弦波，符合 LLC 谐振网络工作特征，电流正负交替，实现能量在原边与副边之间周期性传递。MOSFET2 漏源电压V_fet2与驱动信号g2：观察时序：驱动信号由低变高（MOS 管开通）前，漏源电压V_fet2已经下降至 0V，说明 MOSFET2 实现零电压开通 ZVS，消除开通损耗，验证了全桥 LLC 软开关特性。MOS 管关断时，漏源电压迅速抬升至母线电压，关断过程存在少量损耗。MOSFET2 电流I_fet2：仅在驱动信号为高电平期间，MOS 管流过正向电流；在驱动低电平阶段，存在反向电流（体二极管续流），这也是实现 ZVS 的必要条件：续流阶段对 MOS 管输出电容放电，为下一周期零电压开通创造条件。
3.2.2 负载突变仿真
输入 360V，负载由半载突增为满载的动态响应仿真波形
图 为输入电压稳定 360V 条件下，0.015s 时刻负载由半载阶跃突变为满载的动态响应波形，从上至下依次为输入电压Vin、输出电压Vo、开关频率Fs、输出电流Io。0~0.015s 区间，变换器工作在半载稳态：输入电压稳定维持 360V；输出电压稳定在额定 24V；输出电流约 4A，对应半载工况；PFM 控制器稳定在约 76.5kHz 开关频率，谐振网络增益匹配半载工作点。在 0.015s 时刻，负载由半载跳变至满载，负载电阻突然减小。负载瞬间加重，输出电容向外提供瞬时大电流，输出电压Vo出现向下跌落,输出电流Io快速从 4A 上升至 8A，达到满载电流。控制器检测到输出电压低于 24V 参考值，PFM 调频策略开始动作,降低开关频率,从波形可见，开关频率由 76.5kHz 快速下降至 75kHz 附近。 LLC 特性：开关频率降低，谐振网络电压增益提升，以此补偿负载突增带来的电压跌落。经过短暂的动态调节，输出电压重新回升并稳定在 24V 额定值，输出电流稳定在 8A 满载，系统重新进入稳态。
3.2.3 输入电压扰动仿真
输入电压 340V 突增至 400V 时变换器动态响应仿真波形
图为满载工况下，输入电压由 340V 阶跃抬升至 400V 时的动态响应波形，从上至下依次为输入电压Vin、输出电压Vo、开关频率fs、输出电流Io。在 0~0.015s 区间，输入稳定为 340V，变换器稳态运行：输出电压稳定在额定 24V，输出电流稳定 8A 满载；PFM 控制器维持较低开关频率，工作在升压增益区间，补偿低压输入。在 0.015s 时刻，输入电压由 340V 快速阶跃上升至 400V。输入电压突然升高，谐振腔的输入激励电压增大，LLC 增益瞬间变大，输出电压出现正向超调，峰值约 24.7V，输出电流同步跟随出现小幅上冲。PFM 电压单环控制器检测到输出电压高于给定 24V，立刻提高开关频率。从波形可以看到，开关频率快速向上爬升，利用 LLC 增益特性：开关频率升高，谐振网络电压增益降低，以此抵消输入电压升高带来的增益增量。随着频率上升，输出电压由峰值回落，经过短暂调节过程，最终重新稳定在 24V 额定值，输出电流也回到 8A 满载稳态。
4.PFM控制全桥LLC变换器总结
4.1优点
（1）软开关特性：原边 MOS 全负载范围内实现 ZVS，副边二极管 ZCS，高频下开关损耗低，整机效率高；
（2）全桥拓扑适合百瓦级功率，输入电压范围宽，适配高压直流输入场景；
（3）谐振网络天然滤波，di/dt、dv/dt 更小，电磁干扰 EMI 优于硬开关变换器；
（4）PFM 电压单环调频控制逻辑简单，仅采样输出电压，硬件实现成本低。
4.2缺点
（1）调频控制，变压器、输出滤波器设计需要兼顾宽频率范围；
（2）单环 PFM 动态响应较差，负载突变时输出电压波动大；
（3）谐振参数耦合强，L_r、C_r、L_m、m、Q互相影响，参数设计与迭代工作量大；
（4）变压器励磁电感、漏感要求严格，变压器加工难度较高；
（5）副边采用二极管整流，低压大电流工况下导通损耗高于同步整流方案。
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