全桥LLC谐振变换器Simulink开环仿真与关键波形分析

做电源设计或者电力电子方向的研究，很多人第一次接触LLC谐振变换器时，都会经历一种“好像懂了，又说不出波形具体长什么样”的状态。网上的公式推导、效率曲线和结构图很多，但真正落实到Matlab/Simulink里搭一个能跑的模型，搞清楚谐振电流长什么样、怎么看ZVS是否实现，反而要花不少时间。

这篇文章不讲高深数学，直接用Simulink搭一个全桥LLC谐振变换器的开环仿真模型，从拓扑结构、参数设置到关键波形分析一次讲清楚。仿真环境使用Simulink中的Simscape Electrical模块，这是电源工程师做电路级仿真最常用的工具，可能你会更熟悉它以前的叫法：SimPowerSystems。

读完这篇文章，你可以做到三件事。第一，按照文中的模块路径和参数，完整复现一个全桥LLC开环仿真模型；第二，正确辨认驱动波形、MOSFET漏源电压、谐振电流、谐振电容电压、变压器原边电压和输出电压这些核心波形；第三，模型跑不通或者波形不对时，能根据排查清单快速定位问题。开环仿真看起来比闭环简单，但它恰恰是理解LLC工作原理、调试闭环参数的基础，值得先把这一步走扎实。

1. 为什么先从开环仿真开始？

LLC谐振变换器的闭环控制并不复杂，常用的就是PFM（脉冲频率调制）方式，输出电压反馈去调节开关频率。很多初学者可能急着直接把闭环搭出来，结果遇到一堆问题：环路参数不会调、启动波形有振荡、不知道功率级本身工作是否正常。

这里真正容易踩坑的地方是：如果功率级本身没搭对，闭环再花心思也没有意义。开环仿真的价值就在这里。

开环仿真指开关频率和驱动占空比固定，不加入输出电压反馈。它不会自动稳住输出电压，负载变化时输出电压会变化，这是正常现象。既然没有反馈环路，那模型跑起来就不容易出现环路振荡、参数不收敛的问题，更适合用来验证硬件拓扑是否合理、驱动逻辑是否正确、谐振参数选取是否合适。

开环仿真在工程实践中还有一个很务实的作用：判断开关管到底工作在ZVS还是ZCS状态。LLC变换器强调软开关，但软开关不是天然存在的，它取决于开关频率和谐振频率的关系，也取决于死区时间是否给够。看Vgs和Vds的相对时序就能直接判断，这个在仿真中一目了然，在硬件板上反而要探头、示波器同时抓两路信号，麻烦得多。

所以本文的设计思路是：先跑通开环模型，把波形看懂，再向闭环或者参数优化推进。仿真中发现的波形规律，和硬件调试时的现象是一致的。

2. 全桥LLC的电路结构与工作原理

2.1 全桥LLC拓扑结构

LLC谐振变换器由四部分组成：逆变网络、谐振网络、变压器与整流网络、输出滤波。全桥与半桥的区别主要集中在逆变网络。全桥LLC使用四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，组成两个桥臂，对角开关管同时导通，在桥臂中点A和B之间产生正负交替的方波电压。半桥LLC只用两个开关管，桥臂中点输出的是0到Vin之间变化的方波。全桥结构输入电压利用率高，原边开关管电压应力为输入电压，适用于中大功率场景，比如车载充电机、服务器电源、通信电源。

谐振网络是LLC名字的由来，它由三个元件组成：谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm。Lr通常由独立的谐振电感承担，也可以把变压器漏感算进去；Cr是串联谐振电容；Lm是变压器励磁电感，也参与谐振过程。谐振网络位于逆变桥和变压器之间，作用是滤除谐波，让流入变压器的电流接近正弦。

变压器负责电气隔离和电压匹配，副边采用整流二极管或同步整流管。本文模型副边使用四个二极管组成全桥整流，搭配输出电容和负载电阻。

2.2 三个谐振元件的分工

可以把LLC谐振网络理解成一个“变频电压分配器”。不同的开关频率下，Lr、Cr、Lm的等效阻抗不同，最终反射到副边的电压增益也不同。这是LLC能通过调节频率实现稳压的根本原因。

这里需要理解两个谐振频率。第一个谐振频率fr1由Lr和Cr决定：

fr1 = 1 / (2π√(Lr × Cr))

在fr1附近，Lr和Cr发生串联谐振，阻抗最低，谐振电流最大，功率传输能力最强。第二个谐振频率fr2由Lr、Cr、Lm共同决定：

fr2 = 1 / (2π√((Lr + Lm) × Cr))

fr2远低于fr1，此时Lm也参与谐振，通常会伴随副边电流断续。

按照开关频率位置，LLC存在两种典型工作状态。当开关频率在fr2和fr1之间时，原边开关管能实现ZVS，这是最常见的正常工作区间。当开关频率低于fr2时，副边整流二极管电流断续，原边开关管可能失去ZVS条件，进入ZCS区域。当开关频率高于fr1时，Lm不再被副边反射电压钳位，几乎不参与谐振，此时电路接近于普通的串联谐振变换器，轻载时调压能力下降。

本文仿真模型中，选取开关频率100kHz，fr1约100.66kHz，fr2约33.56kHz。也就是说，开关频率略低于fr1但远高于fr2，正好落在正常的感性ZVS工作区，能看到标准的LLC波形。

2.3 开环仿真应关注的几类波形

开环仿真要观察的波形，其实对应的是LLC变换器的五组核心信号：

• 驱动波形：Q1Q4、Q2Q3两组互补PWM，决定开关时序。
• MOSFET漏源电压Vds：用于判断开关管是否实现ZVS。
• 谐振电流iLr：流过谐振电感的电流，正常时接近正弦。
• 谐振电容电压vCr：反映谐振电容的电压应力，全桥拓扑中没有直流偏置。
• 变压器原边电压vp和输出电压Vout：用于确认变压器变比和整流滤波是否正常。

这些波形在Scope中同时观察，基本就能判断模型是否工作在正确状态。

3. 搭建环境与模型总体规划

3.1 软件环境说明

本文模型基于Matlab/Simulink，需要安装Simulink和Simscape Electrical工具箱。不同Matlab版本中模块位置可能略有差异，但大体路径相似。建议使用R2022b及以上版本，本文重点是通用建模思路，不绑定具体版本。

需要说明的是，Matlab中电力电子仿真主要有两条路线：一条是Simscape Electrical中的Specialized Power Systems（原SimPowerSystems），另一条是Simscape新框架下的元件模型。本文采用Specialized Power Systems，因为它的模块库对电源类仿真更直观，支持开关管、二极管、变压器等原理级模型，且必须放置powergui模块才能运行。

3.2 模型参数表

搭建之前先把参数定下来。以下是一组典型的全桥LLC开环仿真参数，输入电压400V，输出目标约12V，功率约480W。参数值兼顾了教学演示的清晰度和常用设计范围。

谐振频率可以由Lr、Cr直接算出，约100.66kHz，开关频率100kHz落在感性区，这是LLC最典型的工况。

3.3 模型结构规划

整个模型按信号流分成四个模块：驱动信号生成、主功率电路、变压器与整流滤波、测量显示。驱动信号生成负责产生两组带死区的PWM；主功率电路包括直流源、四个MOSFET、谐振电感和谐振电容；变压器与整流滤波负责电压变换和输出；测量显示用多个Scope观察关键波形。

这种分层思路有助于排错，哪个模块波形不对，就单独检查哪一部分，不用在一个大模型里来回翻。模型文件可以命名为LLC_fullbridge_openloop.slx。

4. 基于Simulink搭建全桥LLC开环模型

4.1 驱动信号模块

驱动信号是模型能跑起来的前提。全桥LLC需要两组互补的PWM信号，Q1和Q4同时导通，Q2和Q3同时导通，两组之间必须留死区，否则直通短路。这里用两个Pulse Generator模块产生基础驱动信号，再加上死区延迟。

Pulse Generator可以从Simulink库中的Simulink > Sources找到。第一个Pulse Generator用于Q1和Q4，参数设置如下。

脉冲类型选择Time based，仿真时间和Pulse Generator的时基选择Use simulation time，这样信号源直接按时间轴产生波形。

• Period: 10e-6
• Pulse Width: 48
• Phase delay: 0
• Amplitude: 15

第二个Pulse Generator用于Q2和Q3，参数只需修改Phase delay为5e-6，其他相同。

这里的48表示占空比48%，周期10us，半个开关周期5us，因此高电平持续4.8us，留出0.2us死区。Q2Q3的相位延迟5us，刚好错开半个周期，于是两组驱动是互补关系，且中间有200ns的间隙。这就模拟了最简单的带死区的全桥驱动逻辑。

实际硬件中，上管需要隔离或自举驱动，但仿真中Pulse Generator作为逻辑信号直接接MOSFET的g端即可，不需要搭建完整驱动电路。

4.2 主功率电路

主功率电路使用Simscape Electrical模块库。先放一个DC Voltage Source，电压设为400V。

四个MOSFET从Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics中选取。MOSFET参数可以先保留默认，重点确认“Internal diode”选项存在，因为实际MOSFET内部有体二极管，死区期间谐振电流要靠体二极管续流，这是形成ZVS的重要条件。

连接顺序按全桥拓扑进行。以直流源正端为起点，Q1连接正端和桥臂中点A，Q3连接桥臂中点A和直流源负端；Q2连接正端和桥臂中点B，Q4连接桥臂中点B和直流源负端。也就是说，Q1与Q3组成一个桥臂，Q2与Q4组成另一个桥臂，两个桥臂中点的电压差就是全桥逆变输出。

桥臂中点A与B之间串入谐振支路：从A点出发，经过谐振电感Lr，再经过谐振电容Cr，到达变压器原边的上端。变压器原边下端连接桥臂中点B。励磁电感Lm跨接在变压器原边两端，这个接法很关键，因为LLC原理图中Lm与变压器原边并联。

谐振电感直接使用一个Series RLC Branch模块，设置R为0，L为25e-6，C不启用。谐振电容同理，使用另一个Series RLC Branch，R为0，L不启用，C为100e-9。励磁电感可以再放一个Series RLC Branch，R为0，L为200e-6，并联在变压器原边两端。

需要注意Series RLC Branch中不用的元件要设置成inf或0。实际操作中，把Series RLC Branch的Branch type设为L，它就只有电感参数有效。

4.3 变压器与整流滤波

变压器使用Ideal Transformer模块，路径在Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamentals Blocks > Elements。参数中需要设置原边和副边绕组匝数比。本文模型设置为16:1，即原边绕组16，副边绕组1。

Ideal Transformer只有变比关系，不含漏感和磁化电感。前面已经在外部并联了Lm，所以这种简化方式既能保留主要特性，又不涉及复杂的变压器标幺参数计算，很适合教学演示。

变压器副边接四个二极管全桥整流。四个二极管从Power Electronics库中选取，连接成标准单相全桥整流电路。整流桥正输出端接输出电容正端和负载电阻上端，整流桥负输出端接输出电容负端和负载电阻下端。输出电容使用一个Parallel RLC Branch，Branch type设为C，电容值470uF。负载电阻使用另一个Parallel RLC Branch，Branch type设为R，电阻值0.3Ω。

如果整流后输出电压为负数，把变压器副边两个端子交换即可，这是同名端方向问题。

4.4 测量与示波器配置

为了观察关键波形，需要放置多个测量模块。Voltage Measurement和Current Measurement都位于Measurements库中。

需要测量的信号包括：

• 输入直流电压Vin，并联在直流源两端。
• Q1的漏源电压Vds_Q1，并联在Q1的D和S之间。
• 谐振电流iLr，串联在Lr支路中。
• 谐振电容电压vCr，并联在Cr两端。
• 变压器原边电压vp，并联在变压器原边绕组两端。
• 输出电压Vout，并联在负载两端。
• 副边整流二极管D1的电流，串联在对应二极管支路中。

每个测量模块的输出接到Scope。建议分成三个Scope：第一个Scope看驱动和Vds，第二个Scope看谐振电流、谐振电容电压、变压器原边电压，第三个Scope看输出电压和二极管电流。分开观察比全部塞进一个Scope更容易定位问题。

5. 模型参数设置与求解器配置

5.1 关键模块参数

模块放置完成后，需要逐项确认参数。下面把容易出错的几个模块列出来。

DC Voltage Source的Amplitude设为400V，它可以看作理想电压源，内阻为0。

MOSFET的参数可以保留默认，但需要确认开关管逻辑为高电平导通。Pulse Generator输出的15V信号接g端口，当驱动为15V时开关管导通，为0时关断。仿真中所有开关管共用一个地，但在实际硬件电路中，上管的栅极驱动必须隔离或自举。

Ideal Transformer的变比设置方法不同版本略有不同，一般直接在Winding ratio中输入primary/secondary。如果参数是Primary winding 16，Secondary winding 1，那就是16:1。副边绕组中心抽头在本模型中不涉及，副边使用两个端子即可。

5.2 求解器设置

Simulink中的求解器设置对电力电子仿真影响非常大。开关管动作时电路拓扑发生切换，如果求解器不合适，很容易出现不收敛或者波形毛刺。

打开模型配置参数，在Solver选项卡中，Solver选择Variable-step，Solver选择ode23tb。ode23tb适用于刚性电路问题，开关电源仿真中使用较多。相对容差设为1e-4，最大步长设为1e-7，这样在100kHz开关频率下，每个开关周期内约有100个采样点，波形足够平滑。

最大步长不能设置得太大。如果设为默认的auto，开关瞬间可能被跨过去，波形看起来就会有明显的高频振荡或者时间轴上的跳变。电源仿真中最大步长一般控制在开关周期的百分之一左右。

同时，模型中必须有powergui模块。powergui位于Simscape > Electrical > Specialized Power Systems中，直接拖入模型任意位置保持默认参数即可。如果遗漏powergui，模型运行时会出现明显的报错提示。

6. 开环仿真运行与关键波形分析

6.1 运行步骤

所有模块连接完成后，保存模型，在仿真选项卡中设置Stop Time为0.002s，即2ms。以100kHz开关频率计算，2ms内包含200个开关周期，输出电容充电和启动暂态已经可以稳定，足够观察完整波形。

点击Run按钮运行仿真。仿真过程可能需要几十秒到几分钟，具体取决于电脑性能和求解器设置。运行完成后，打开三个Scope查看波形。

如果仿真报错，首先检查powergui是否缺失，其次检查是否有模块未连接。模型中的每个测量模块必须连接有效信号，未连接的Scope输入会导致仿真报错。

6.2 波形一：驱动信号与MOSFET漏源电压

第一个Scope中，可以看到两路驱动波形。Q1Q4的驱动为高电平时，Q2Q3驱动为低电平，两组信号之间有明显的时间间隔，这就是死区。死区时间约0.2us，比开关周期10us小很多，从波形上能看到一组下降沿和另一组上升沿之间存在间隙。

判断ZVS的关键在于同时看Q1的Vds和Q1的驱动信号。Q1关断后，Vds会先从0上升，然后在死区时间内，谐振电流给Q1输出电容充电、给Q2输出电容放电，Vds达到母线电压附近。等到下一周期Q1的驱动信号变为高电平时，如果Vds已经降到接近0V，说明电流已经通过Q1的体二极管续流，此时开通就是ZVS。如果驱动变高时Vds仍然很高，就说明硬开通了，损耗会明显增大。

在本文参数下，开关频率100kHz与谐振频率接近，原边应工作于感性ZVS区。Scope中会看到Vds的下降沿出现在驱动上升沿之前，这是ZVS已经建立了。

6.3 波形二：谐振电流与谐振电容电压

第二个Scope中的谐振电流iLr是LLC辨识度最高的波形。在正常工作状态下，iLr呈良好正弦形状，正负对称。电流峰值大约