【正文】 上海交通大學工程碩士學位論文 摘要 ~ I ~ LLC半橋諧振電路的設(shè)計與應用 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。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 上海交通大學 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 上海交通大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進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， 給了我很多解決問題的思路， 在此表示衷心的感激。 學友情深，情同兄妹。 致 謝 四年的大學生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要劃上句號，心中是無盡的難舍與眷戀。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。本次畢業(yè)設(shè)計大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。本人授權(quán) 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。本次畢業(yè)設(shè)計是對我大學四年學習下來最好的檢驗。 首先，我要特別感謝我的知道郭謙功老師對我的悉心指導，在我的論文書寫及設(shè)計過程中給了我大量的幫助和指導，為我理清了設(shè)計思路和操作方法，并對我所做的課題提出了有效的改進方案。 其次，我要感謝大學四年中所有的任課老師和輔導員在學習期間對我的嚴格要求，感謝他們對我學習上和生活上的幫助，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，將是踏上一個新的征程，要把所學的知識應用到實際工作中去。四年的風風雨雨，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。老師們認真負責的工作態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W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)上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。雖然在這方面 可選的 DCDC 拓撲眾多，但是 LLC 半橋諧振電路憑借其軟開關(guān)的特點在滿足以上要求擁有獨特的優(yōu)勢。最后，所有寄生元件，包括所有半導體器件的結(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， 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時間周期的工作特性和原理進行逐一闡述和分析。 測試部分不僅針對應用 LLC 半橋諧振的 90W 電腦適配器，同時協(xié)助測試 分析市場上其他拓撲結(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，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；當輕載時輸入電流變化不大，開關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，在輕載時的效率比較低，較為適合工作于額定功率處負載相對恒定的場合。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 ) 的效率高于標準電源拓撲，所以其運用越來越廣泛。并且針對 LLC 半橋諧振電路，詳細分析了該電路的工作原理。 上海交通大學工程碩士學位論文 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時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 。 第四章 模塊的硬件設(shè)計 本章闡述 LLC 諧振電路可以從四個方面著手優(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入容性區(qū)域 ，提高效率。 第七章 實驗中遇到的問題及解決方案 在實驗中， 當 LLC 半橋諧振電路開機時， 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 ； 通過實驗驗證， 由于 開機瞬間諧振腔沒有正常工作，下管 選擇需上海交通大學工程碩士學位論文 第一章引言 ~ 4 ~ 較 小 體二極管恢復時間的 MOSFET 能明顯減少大尖峰電流的峰峰值，減少硬開關(guān)的風險 。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。接下來的文章中會具體討論 MOSFET 在 LLC 拓撲中的性能和可靠性，同時詳細介紹 LLC 諧振電路原理和技巧。這種變換有兩個諧振頻率。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： 上海交通大學工程碩士學位論文 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 導通電流。下圖 3 為 LLC 半橋諧振電路在 T0~ T1 工作階段各個元器件工作狀態(tài)。此階段 ,Lm 和 Lr、 Cr一同參加諧振。此時諧振電感上的電流仍舊為負，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， T2~ T3 階段結(jié)束 。變壓器漏感 Lm 此時被此電流充電，因此參加諧振的器件只有 Lr 和 Cr。 上海交通大學工程碩士學位論文 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；此時為半橋電路死區(qū)時間。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。 上海交通大學工程碩士學位論文 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)時間外，絕大多數(shù)時間，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 諧振電路在各個時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 。對于 ZCS：使開關(guān)管的電流在開通時保持在零，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，甚至會使效率降低。零開關(guān) PWM 變換器是在準諧振的基礎(chǔ)上加入一個輔助開關(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 實現(xiàn)零電壓開通。這樣由于在低于串聯(lián)諧振頻率點工作時，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 諧振電路有一個負載獨立工作點，所謂負載獨立工作點，即電路在這點上的工作頻率和增益不受負載變化影 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，提高頻率以響應輸出功率 降低的需求；或者通過提高輸入直流電壓來實現(xiàn)電路工作在輕載模式。因為 LLC 諧振電路的輸入直流電壓此時為 400VDC 左右，是一個比較窄的范圍，即使真正的輸入電壓為寬范圍電 壓（ 90VAC 上海交通大學工程碩士學位論文 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，實際設(shè)置工作頻率時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載獨立工作點附近有利于 LLC 諧振電路設(shè)計優(yōu)化 ?；谶@兩點，如果 LLC 諧振電路可以工作在負載獨立工作點附近，那么其輸出電壓可以在較寬負載變化范圍且相對較窄的開關(guān)頻率范圍內(nèi)實 現(xiàn)調(diào)整。因此，有前級 PFC 的 LLC 諧振電路可以工作在負載獨立工作點上。 表 41 優(yōu)化前參數(shù)設(shè)置 Table 41 Parameter design before optimizatio。下面例舉一個 980W 用于上海交通大學工程碩士學位論文 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 , 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，這個缺點可以忽略。 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、激磁電感表達其傳遞上海交通大學工程碩士學位論文 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 諧振電路無負載時的曲線 ? ???? nfM ； 此時可以將公 33變化為： 2nnfλλ11Q)λ ,M(f??? 公式 34 由于 λ 相對于 2nf 可以忽略不計，那么 ?M 就可以進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 諧振電路的一個主要缺點。值得慶幸的是，這個負載獨立工作點出現(xiàn)在期望的電壓增益曲線的感性工作區(qū)，這時諧振腔的電流滯后于輸入方波電壓，實際上，這是 LLC 半橋諧振電路中 MOSFET 實現(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) 負載獨立 工作 點 上海交通大學工程碩士學位論文 第三章 LLC 半橋諧振電路簡化建模 ~ 15 ~ 圖 32