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数字控制双向全桥LLC谐振变换器的
研究

摘要：

本文研究了数字控制双向全桥LLC谐振变换器的设计与应用。
该变换器采用双向电流流通结构，具有高效、低功率损耗、可
靠性高等优点。在谐振电容、变压器参数设计方面，通过
matlab建立了电磁模型，根据电磁模型进一步设计纸芯变压
器，提高效率和稳定性。同时，本文基于DSP实现了数字PID
控制器的设计和实现，有效改善了输出电压的稳定性和动态响
应性能。最后，通过仿真和实验验证了该变换器的性能和可行
性。

关键词：双向全桥LLC谐振变换器；电磁模型；纸芯变压器；
数字PID控制器；仿真与实验

1.引言

随着电力电子技术的发展，各种类型的DC-DC变换器被广泛应
用在电力系统中，而LLC谐振变换器是其中的一种。由于该变
换器具有高效、高可靠性、低功率损耗等优点，近年来被越来
越多的应用在电力电子系统中。双向全桥LLC谐振变换器在新
能源领域和微网中的应用更是受到了广泛关注。

本文基于双向全桥LLC谐振变换器的原理，介绍了对该变换器
的设计与实现。主要研究内容包括电磁模型的建立、纸芯变压
器参数的设计、数字PID控制器的实现等。最后，通过仿真和
实验验证了该变换器的性能和可行性。

2.双向全桥LLC谐振变换器的原理

双向全桥LLC谐振变换器的电路图如图1所示。其中，Lr、Cr、
Lm、Cm表示谐振电感、谐振电容、变压器原边电感、变压器
副边电容，两个全桥电路分别表示正向和反向输电控制器。通
常情况下，变压器的两个副边分别连接负载和电源。

在变换器的工作过程中，当正向控制器开关开启期间，正向变
压器产生的磁场和Lm、Cm构成的谐振电路产生共振，使谐振
电容Cr被充电。当正向控制器开关关闭时，电感Lr将贮存的
能量释放到负载中。变换器在反向工作模式下的工作原理与正
向工作模式类似，这里不再赘述。

3.电磁模型的建立

为了提高变换器的效率和稳定性，本文建立了电磁模型，对变
压器的参数进行优化设计。在电磁模型的建立过程中，主要涉
及谐振电容Cr设计和变压器原边电感Lm的选取。

首先，为了使谐振电容Cr的充电时间最短，应当使谐振电容
在电路中的电流变化最缓慢。为此，我们可以根据下式计算出
最佳的谐振电容值：

Cr=1/omega/√Lm*Cm

其中，omega为电路谐振频率。

其次，变压器原边电感Lm的选取对变换器性能的影响很大。
为了减小电流峰值，降低变压器中的损耗，可以通过增大Lm
值来实现。但同时，增大Lm值也会增大开关器件的压力，在
设计时要综合考虑各种因素。

4.纸芯变压器参数的设计

在电磁模型的基础上，可以进一步设计纸芯变压器。由于变换
器需要进行大功率输出，为此，我们采用了纸芯变压器的设计
方案。纸芯变压器相较普通的磁芯变压器，具有更好的绕线空
间和更高的透磁率，能够提高变换器效率和稳定性。

在纸芯变压器参数的设计过程中，我们需要考虑变压器的匝数
比、绕组的数量、通径等因素，并通过仿真和实验不断调试参
数，以达到最佳的设计方案。

5.数字PID控制器的实现

为了提高输出电压的稳定性和动态响应性能，本文基于DSP实
现了数字PID控制器。PID控制器是目前应用最广泛的一种控
制器，其具有简单直观、响应快等特点，可以很好地应用在双
向全桥LLC谐振变换器中。

在数字PID控制器的设计过程中，我们需要考虑控制器的采样
周期、增益值、PID参数等因素，并通过仿真和实验来调试控
制参数，以保证控制效果和系统稳定性。

6.仿真与实验

通过matlab建立电磁模型，采用pSpice对电路进行仿真，可
以得到变换器的效率、输出电压稳定性、负载变化时的响应速
度等参数。同时，通过实验搭建出双向全桥LLC谐振变换器，
验证了该变换器的性能和可行性。

7.结论

本文研究了数字控制双向全桥LLC谐振变换器的设计与应用。
通过电磁模型的建立和纸芯变压器参数的优化设计，以及数字
PID控制器的实现，有效改善了输出电压的稳定性和动态响应
性能。最后，通过仿真与实验，验证了该变换器的性能和可行

性。在实际应用中，该变换器具有很大的应用前景和发展空间。
8.具体应用场景

双向全桥LLC谐振变换器可以在大功率充电器、电动汽车充电
桩、UPS电源等领域中得到广泛应用。在这些场景中，输出电
压需要稳定在一定范围内，负载变化时需要快速响应，同时还
需要具有高效率和可靠性。

9.进一步的研究方向

未来，可以通过进一步的研究来完善双向全桥LLC谐振变换器
的性能和应用场景。一方面，可以研究更高功率的谐振变换器，
以满足不同场景下的需求；另一方面，可以尝试采用新型材料
和器件，如GaN、SiC等，来进一步提高变换器的效率和性能。

10.总结

本文针对双向全桥LL