【正文】 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。因此，有前級(jí) PFC 的 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)上。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 。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(jiǎn)化建模 ~ 16 ~ ~ 264VAC）。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。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(kāi)通。這種方法對(duì)變換器的效率沒(méi)有提高，甚至?xí)剐式档汀? 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(guò)程，說(shuō)明 LLC 諧振變換器是一種具有布線簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點(diǎn) 。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 ~ 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。一旦諧振電感 Lr 上的電流為零時(shí)， T2~ T3 階段結(jié)束 。此階段 ,Lm 和 Lr、 Cr一同參加諧振。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(jí)側(cè)輸出整流二級(jí)管波形， Ids1 則為 Q1 導(dǎo)通電流。這種變換有兩個(gè)諧振頻率。最后，這三種諧振電路的工作頻率都會(huì)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)。最后是要選擇具有 初級(jí)測(cè)電流監(jiān)測(cè)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。 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(guò)程，說(shuō)明 LLC 諧振變換器是一種具有布線簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點(diǎn) 。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(lái)越廣泛。提高開(kāi)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(kāi)關(guān)噪聲。 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(duì) 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。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(kāi)關(guān)的特點(diǎn)在滿足以上要求擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(guò)的作品成果。四年的風(fēng)風(fēng)雨雨，我們一同走過(guò)，充滿著關(guān)愛(ài)，給我留下了值得珍藏的最美好的記憶。 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(duì)我的嚴(yán)格要求，感謝他們對(duì)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(shí)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。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來(lái)最好的檢驗(yàn)。對(duì)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。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(kù)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。沒(méi)有他們的幫助，我將無(wú)法順利完 成這次設(shè)計(jì)。 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?hào)，心中是無(wú)盡的難舍與眷戀。是他們?cè)谖耶厴I(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(wèn)題的思路， 在此表示衷心的感激。 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(guó)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。第二，它可以在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)零電壓切換（ ZVS）。最后，通過(guò)對(duì) 90W 電腦適配器項(xiàng)目的 設(shè)計(jì) ，包括PFC 電路設(shè)計(jì)部分和 LLC 半橋諧 振電路部分， 逐步說(shuō)明 設(shè)計(jì) 流 程 和解決方案。 串聯(lián)諧振由于是串聯(lián)分壓方式，其直流增益總是小于 1，類似 BUCK 變換器；輕載時(shí)為穩(wěn)住輸出電壓，必須提高開(kāi)關(guān)頻率，在輕載或空載的情況下，輸出電壓不可調(diào)，輸入電壓升高使系統(tǒng)的工作頻率將越來(lái)越高于諧振頻率，而諧振頻率增加，諧振腔的阻抗也隨之增加，這就是說(shuō)越來(lái)越多的能量在諧振腔內(nèi)循環(huán)而不傳遞到副邊輸出；但在負(fù)載串聯(lián)諧振中，流過(guò)功率器件的電流隨著負(fù)載變輕而減小，使通態(tài)損耗減小。總結(jié)并完善 LLC 半橋諧振電路的應(yīng)用 論文的組織結(jié)構(gòu)及其章節(jié)安排 論文首先 論述了現(xiàn)有諧振電路優(yōu)缺點(diǎn)及在該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀；然后針對(duì) LLC 諧振電路進(jìn)行了研究和分析對(duì)比，提出運(yùn)用能夠滿足目前市場(chǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的高效率、低 D 電磁干擾、少元器件和高性價(jià)比的要求。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。 第六章 90W電腦適配器整機(jī)測(cè)試 本 章對(duì) 90W 電腦適配器實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，包括基本性能測(cè)試，并對(duì)比其他電路拓?fù)淝彝裙β实燃?jí)適配器（單級(jí)適配器、準(zhǔn)諧振反激適配器）性能，應(yīng)用 LLC 半橋諧振電路的 90 電腦適配器在效率、短路保護(hù)、功率因數(shù)、電流諧波方面都優(yōu)于其它兩種適配器；本章還較大篇幅的分析了此實(shí)驗(yàn)板的損耗計(jì)算和分布， DCDC 部分次級(jí)側(cè)損耗較大， 此項(xiàng)工作有利于今后進(jìn)一步優(yōu)化效率提供理論依據(jù) 。事實(shí)上， LLC 半橋諧振電路克服了串聯(lián)諧振電路輕載輸出調(diào)整差的缺點(diǎn)，即使在沒(méi)有任何負(fù)載的情況下也可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，這對(duì) DC/DC 電路的效率提高做出很大貢獻(xiàn)。這兩個(gè)諧振點(diǎn)的計(jì)算公式如下： rrr1 CL2π1f ? rrmr2 )CL(L2π1f ?? 公式 21 考慮到盡可能提高效率，設(shè)計(jì)電路時(shí)需把工作頻率設(shè)定在 fr1 附近。這個(gè)階段隨著 Q2關(guān)斷而結(jié)束。 圖 24 T1~T2 工作階段 Operation at T1~T2 ? T2~ T3: Q1 開(kāi)通、 Q2 關(guān)斷（一旦 Q1的輸出電容被放電放到零時(shí)）。諧振電感電流開(kāi)始從輸入端經(jīng) Q1 流向地。在死去時(shí)間，變壓器漏感 Lm 參與諧振。下圖 8為 LLC 半橋諧振電路在 T5~ T6 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。為了減小開(kāi)關(guān)時(shí)的交疊，人們提出了零電流開(kāi)關(guān)（ ZCS)和零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)兩種軟開(kāi)關(guān)的方法。全諧振變換器的諧振元件一直諧振工作，而準(zhǔn)諧振變換器的諧振元件只參與能量變換的 某一個(gè)階段，不是全程參與。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，可以讓系統(tǒng)工作在串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)以獲得高的 效率。 LLC 諧振電路輸出電壓調(diào)整主要通過(guò)改變諧振腔輸入方波開(kāi)關(guān)頻率。 Mmin 如下： λ1 1VinmaxVo2nM min ???= ?M 公式 36 此時(shí)，可以得到最高開(kāi)關(guān)頻率比： ?????? ???M m i n11λ111f 公 式 37 同理，可以在輸入直流電壓最 小、負(fù)載最重時(shí)得到最大電壓增益特征函數(shù) Mmax 和最低開(kāi)關(guān)頻率比： VinminVo2nMmax ? 公式 38 最低開(kāi)關(guān)頻率比如下公式 37： ?????? ???2M m a x11λ111f 公式 39 同時(shí)，從公式 35 可以看出， Lr、 Lm 將決定 LLC 諧振電路無(wú)負(fù)載時(shí)的電壓增益，這是 設(shè)計(jì)當(dāng)中確保電路能否工作在無(wú)負(fù)載情況下的關(guān)鍵。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(guò)調(diào)整頻率來(lái)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(guò)提高輸入直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電路工作在輕載模式。這時(shí) LLC 半橋諧振電路的工作頻率范圍如下圖 13 左圖中灰色陰影所示；那么電路諧振腔內(nèi)正弦諧振電流波形的周期將發(fā)生變化，其周期縮短為 MOSFET 開(kāi)關(guān)周期的一半（見(jiàn)下圖 41 右圖）。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 ~ 264VAC）。同時(shí)借助 LLC 諧振電路直流特性圖分析其不同工作區(qū)域：容性區(qū)，感性區(qū)，邊界區(qū)和負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)。但是，對(duì)于前級(jí)連接 PFC 的 LLC 諧振電路來(lái)說(shuō)，這個(gè)缺點(diǎn)可以忽略。這里需要指出的時(shí)，電路應(yīng)盡量避免工作在容性區(qū)域（ fsw 接近 fr2），因?yàn)殡娐饭ぷ髟谌菪詤^(qū)域會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)定。 雖然理論上， LLC 半橋諧振電路可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，但是還是要考慮諧振電路工作情況，比如增益、諧振頻率。從能量的角度來(lái)看，它是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開(kāi)關(guān)管的工作條件。而且，由于這個(gè)被動(dòng) Lm 負(fù)載，可以保證在任何負(fù)載情況下都能工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。由于 T4~ T5 階段中 Q2的輸出電容已經(jīng)被放電至零，因此 T5~ T6 階段 Q2以零電壓開(kāi)通。下圖 26 為 LLC 半橋諧振電路在 T3~ T4 工作階段各個(gè) 元器件工作狀態(tài)。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 ~ 9 ~ 只有 Lr 和 Cr 參與諧振。輸出電壓比變壓器二次側(cè)電壓高， D D2 處于反偏狀態(tài)，所以輸出端與變壓器脫離。 總體來(lái)說(shuō) LLC 半橋諧振電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和半橋電路無(wú)異，但是由于諧振腔的加入，LLC 半橋諧振電路中的上下 MOSFET 工作情況大不一樣，它能實(shí)現(xiàn) MOSFET 零電壓開(kāi)通。 圖 21 典型電路 Tipical Circuit LLC 半橋諧振電路基本原理 LLC 諧振變換的直流特性分為零電壓工作區(qū)和零電流工作區(qū)。首先是串聯(lián)諧振，為了確保輕載時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定，串聯(lián)諧振的開(kāi)關(guān)頻率往往需要上升到很高，而這種問(wèn)題在并 聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振中并不存在，但是并聯(lián)諧振的關(guān)斷電流比串聯(lián)諧振大很多，這是并聯(lián)諧振的最大問(wèn)題；其二，在上面提到的所有這三個(gè)諧振電路中都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是回送至輸入端的能量都會(huì)隨著輸入電壓的增加而增加。第三是確定 MOSFET 零電壓開(kāi)通條件，滿足這一要求的 MOSFET 可以遵循本章所 得公式 414 選擇 。而后具體設(shè)計(jì)了針對(duì) 90W 電腦適配器 應(yīng)用的系統(tǒng)方案，包括前級(jí) PFC 電路，后級(jí) LLC 半橋諧振電路，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，并驗(yàn)證理論分析在實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果。 另外 全球?qū)档湍芎牡男枨笳?促進(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣。 上海 交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目錄 ~ V ~ 目 錄