【正文】 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 ~ I ~ LLC半橋諧振電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 摘 要 現(xiàn)代開關(guān)電源要求具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾（ EMI）信號，并且所需要的電子元器件數(shù)量少、效率高。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。是他們在我畢業(yè)的最后關(guān)頭給了我們巨大的幫助與鼓勵(lì)， 給了我很多解決問題的思路， 在此表示衷心的感激。 學(xué)友情深，情同兄妹。 致 謝 四年的大學(xué)生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要?jiǎng)澤暇涮枺闹惺菬o盡的難舍與眷戀。再次對周巍老師表示衷心的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完 成這次設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來最好的檢驗(yàn)。 首先，我要特別感謝我的知道郭謙功老師對我的悉心指導(dǎo)，在我的論文書寫及設(shè)計(jì)過程中給了我大量的幫助和指導(dǎo)，為我理清了設(shè)計(jì)思路和操作方法，并對我所做的課題提出了有效的改進(jìn)方案。 其次，我要感謝大學(xué)四年中所有的任課老師和輔導(dǎo)員在學(xué)習(xí)期間對我的嚴(yán)格要求，感謝他們對我學(xué)習(xí)上和生活上的幫助，使我了解了許多專業(yè)知識和為人的道理，能夠在今后的生活道路上有繼續(xù)奮斗的力量。從這里走出，對我的人生來說，將是踏上一個(gè)新的征程，要把所學(xué)的知識應(yīng)用到實(shí)際工作中去。四年的風(fēng)風(fēng)雨雨，我們一同走過，充滿著關(guān)愛，給我留下了值得珍藏的最美好的記憶。老師們認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使 我收益匪淺。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。雖然在這方面 可選的 DCDC 拓?fù)浔姸?，但?LLC 半橋諧振電路憑借其軟開關(guān)的特點(diǎn)在滿足以上要求擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。最后，所有寄生元件，包括所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實(shí)現(xiàn) ZVS 的。 文章第一部分總結(jié)了不同諧振變換器的優(yōu)缺點(diǎn)， 介紹了 LLC 型 諧振變換器的 原理，并對 LLC 半橋諧振電路在各個(gè)時(shí)間周期的工作特性和原理進(jìn)行逐一闡述和分析。 測試部分不僅針對應(yīng)用 LLC 半橋諧振的 90W 電腦適配器，同時(shí)協(xié)助測試 分析市場上其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同等功率等級電腦適配器 。提高開關(guān)頻率能減小體積，提高功率密度及可靠性，平滑變化的波形和較小的電壓 /電流變化率 也有利于改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低開關(guān)噪聲。并聯(lián)諧振的輸出端可以開路但不能短路，會損壞諧振電容，并且過大的原邊回路電流對開關(guān)器件及電源都會產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，不 需通過大幅改變頻率來穩(wěn)住輸出電壓，與串聯(lián)諧振相比變換器工作范圍更大，可工作至空載；當(dāng)輕載時(shí)輸入電流變化不大，開關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，在輕載時(shí)的效率比較低，較為適合工作于額定功率處負(fù)載相對恒定的場合。在 70W 500W 交流輸入電源中，由于 LLC 半橋 諧振轉(zhuǎn)換器 (效率通常在 90%以上 ) 的效率高于標(biāo)準(zhǔn)電源拓?fù)?，所以其運(yùn)用越來越廣泛。并且針對 LLC 半橋諧振電路，詳細(xì)分析了該電路的工作原理。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 3 ~ 本文各章節(jié)安排內(nèi)容如下： 第二章 LLC半橋諧振電路原理 本章比較了不同諧振電路，分析了 LLC 半橋諧振電路在各個(gè)時(shí)間的工作特性和狀態(tài)，闡述了 LLC 諧振變換器的工作原理和工作過程，說明 LLC 諧振變換器是一種具有布線簡單、成本低、性能穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點(diǎn) 。 第四章 模塊的硬件設(shè)計(jì) 本章闡述 LLC 諧振電路可以從四個(gè)方面著手優(yōu)化電路。最后是要選擇具有 初級測電流監(jiān)測功能的 LLC 半橋諧振電路 PWM 控制芯片，這種芯片可以有效防止電路進(jìn)入容性區(qū)域 ，提高效率。 第七章 實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方案 在實(shí)驗(yàn)中， 當(dāng) LLC 半橋諧振電路開機(jī)時(shí)， 發(fā)現(xiàn) 上下 MOSFET 是處于硬開關(guān)情況，并且流過較大峰值電流 ； 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 由于 開機(jī)瞬間諧振腔沒有正常工作，下管 選擇需上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 4 ~ 較 小 體二極管恢復(fù)時(shí)間的 MOSFET 能明顯減少大尖峰電流的峰峰值，減少硬開關(guān)的風(fēng)險(xiǎn) 。最后，這三種諧振電路的工作頻率都會隨著輸入電壓的增加而提高，并且隨輸入電壓的增加，工作頻率離諧振頻率越遠(yuǎn)。接下來的文章中會具體討論 MOSFET 在 LLC 拓?fù)渲械男阅芎涂煽啃裕瑫r(shí)詳細(xì)介紹 LLC 諧振電路原理和技巧。這種變換有兩個(gè)諧振頻率。其中， fr1 為Cr,Lr 串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。其工作波形圖如下： 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 LLC 半橋諧振電路原理 ~ 7 ~ 圖 22 工作波形示意圖 Operation Waveform 上圖為理想半橋諧振電路工作波形圖；圖中， Vgs1 和 Vgs2 分別是 Q Q2 的驅(qū)動(dòng)波形， Ir 為諧振電感 Lr 電感電流波形， Im 為變壓器漏感 Lm 電流波形， Id1 和 Id2 分別是次級側(cè)輸出整流二級管波形， Ids1 則為 Q1 導(dǎo)通電流。下圖 3 為 LLC 半橋諧振電路在 T0~ T1 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。此階段 ,Lm 和 Lr、 Cr一同參加諧振。此時(shí)諧振電感上的電流仍舊為負(fù)，電流經(jīng) Q1 的體二級管流回輸入端（ Vin）。一旦諧振電感 Lr 上的電流為零時(shí)， T2~ T3 階段結(jié)束 。變壓器漏感 Lm 此時(shí)被此電流充電，因此參加諧振的器件只有 Lr 和 Cr。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 LLC 半橋諧振電路原理 ~ 10 ~ 圖 26 T3~T4 工作階段 Operation at T3~T4 ? T4~ T5: Q1 關(guān)斷， Q2 關(guān)斷；此時(shí)為半橋電路死區(qū)時(shí)間。此階段隨著 Q2開通而結(jié)束。能量由諧振電感 Lr 經(jīng) Q2 續(xù)流，輸出端由D2 提供能量。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 LLC 半橋諧振電路原理 ~ 11 ~ 圖 25 T2~T3 工作階段 Operation at T2~T3 由以上工作狀態(tài)可以看出，除了 Q Q2 死區(qū)時(shí)間外，絕大多數(shù)時(shí)間，電路都可以工作在由 Lr 和 Cr 構(gòu)成的較高的諧振頻率。 本章小結(jié) 本章比較了不同諧振電路，分析了 LLC 半橋 諧振電路在各個(gè)時(shí)間的工作特性和狀態(tài)，闡述了 LLC 諧振變換器的工作原理和工作過程，說明 LLC 諧振變換器是一種具有布線簡單、成本低、性能穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點(diǎn) 。對于 ZCS：使開關(guān)管的電流在開通時(shí)保持在零，在關(guān)斷前使電流 降到零。這種方法對變換器的效率沒有提高，甚至?xí)剐式档?。零開關(guān) PWM 變換器是在準(zhǔn)諧振的基礎(chǔ)上加入一個(gè)輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程。確保了 LLC 諧振電路工作在期望的區(qū)域，才能保證 MOSFET 實(shí)現(xiàn)零電壓開通。這樣由于在低于串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)工作時(shí)，工作特性類似于并聯(lián)諧振，因而能夠讓其始終工作在零電壓開關(guān)工作模式。圖中藍(lán)色曲線為不同的品質(zhì)因數(shù) Q在同一的電感比 λ 情況下的曲線，可以看出 LLC 諧振電路有一個(gè)負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，所謂負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，即電路在這點(diǎn)上的工作頻率和增益不受負(fù)載變化影 響。由于電路工作區(qū)域是在電壓增益曲線的感性工作區(qū)，由上圖可以看出，電路通過調(diào)整頻率來調(diào)整輸出電壓，提高頻率以響應(yīng)輸出功率 降低的需求；或者通過提高輸入直流電壓來實(shí)現(xiàn)電路工作在輕載模式。因?yàn)?LLC 諧振電路的輸入直流電壓此時(shí)為 400VDC 左右，是一個(gè)比較窄的范圍，即使真正的輸入電壓為寬范圍電 壓（ 90VAC 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡化建模 ~ 16 ~ ~ 264VAC）。 根據(jù)上面的結(jié)果，實(shí)際設(shè)置工作頻率時(shí)還須避開最低工作頻率（ fmin）接近第二諧振頻率（ fr2）的情況。并且使電路工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)附近有利于 LLC 諧振電路設(shè)計(jì)優(yōu)化 ?；谶@兩點(diǎn)，如果 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)附近，那么其輸出電壓可以在較寬負(fù)載變化范圍且相對較窄的開關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí) 現(xiàn)調(diào)整。因此，有前級 PFC 的 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)上。 表 41 優(yōu)化前參數(shù)設(shè)置 Table 41 Parameter design before optimizatio。下面例舉一個(gè) 980W 用于上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 19 ~ Server 的 LLC 半橋諧振電路設(shè)計(jì) , LLC 諧振電路的輸入電壓為 400V（ PFC 輸出電壓），輸出電壓（電流）為 12V (80A) ： ? 優(yōu)化前： 如果將最低工作頻率（ fmin）設(shè)置在接近于第二諧振頻率（ fr2），甚至比 fr2 更低。但是，對于前級連接 PFC 的 LLC 諧振電路來說，這個(gè)缺點(diǎn)可以忽略。 頻率設(shè)置優(yōu)化 LLC 諧振電路輸出電壓調(diào)整主要通過改變諧振腔輸入方波開關(guān)頻率。 本章小結(jié) 本章通過對 LLC 半橋諧振電路的簡化，用角頻率、輸出阻抗、激磁電感表達(dá)其傳遞上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡化建模 ~ 17 ~ 函數(shù)。 上圖中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無負(fù)載時(shí)的曲線 ? ???? nfM ； 此時(shí)可以將公 33變化為： 2nnfλλ11Q)λ ,M(f??? 公式 34 由于 λ 相對于 2nf 可以忽略不計(jì)，那么 ?M 就可以進(jìn)一步簡化為如下公式 35： λ1 1Q)λ ,M( fM n ???? 公式 35 結(jié)合上面的討論，利用最小電壓增益特征函數(shù) Mmin 大于 ?M ，可以在輸入直流電壓最高處可以得到 Mmin，這樣就有可能使電路工作 在無負(fù)載情況下。從上圖10 中也可以看出，輸入直流電壓范圍越寬，其開關(guān)頻率范圍也越寬，如果工作在這種情況下， LLC 諧振電路將很難優(yōu)化，這是 LLC 諧振電路的一個(gè)主要缺點(diǎn)。值得慶幸的是，這個(gè)負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)出現(xiàn)在期望的電壓增益曲線的感性工作區(qū)，這時(shí)諧振腔的電流滯后于輸入方波電壓，實(shí)際上，這是 LLC 半橋諧振電路中 MOSFET 實(shí)現(xiàn)零電壓開通的必要條件。 頻率比 fn 電壓增益特征函數(shù)M 邊界區(qū) 感性區(qū) 容性區(qū) 負(fù)載獨(dú)立 工作 點(diǎn) 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡化建模 ~ 15 ~ 圖 32