【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 PFC 的 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨立工作點上。并且使電路工作在負(fù)載獨立工作點附近有利于 LLC 諧振電路設(shè)計優(yōu)化 。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(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）。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 諧振電路有一個負(fù)載獨立工作點，所謂負(fù)載獨立工作點，即電路在這點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 實現(xiàn)零電壓開通。這種方法對變換器的效率沒有提高，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 。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；此時為半橋電路死區(qū)時間。一旦諧振電感 Lr 上的電流為零時， 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。這種變換有兩個諧振頻率。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)。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。 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 。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。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。 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(jìn)行逐一闡述和分析。雖然在這方面 可選的 DCDC 拓?fù)浔姸啵?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。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。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。 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。本次畢業(yè)設(shè)計是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來最好的檢驗。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，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。沒有他們的幫助，我將無法順利完 成這次設(shè)計。 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劃上句號，心中是無盡的難舍與眷戀。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(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。第二，它可以在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，實現(xiàn)零電壓切換（ ZVS）。最后，通過對 90W 電腦適配器項目的 設(shè)計 ，包括PFC 電路設(shè)計部分和 LLC 半橋諧 振電路部分， 逐步說明 設(shè)計 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；輕載時為穩(wěn)住輸出電壓，必須提高開關(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，這就是說越來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?？偨Y(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)缺點及在該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀；然后針對 LLC 諧振電路進(jìn)行了研究和分析對比，提出運(yùn)用能夠滿足目前市場對開關(guān)電源的高效率、低 D 電磁干擾、少元器件和高性價比的要求。并且使電路工作在負(fù)載獨立工作點附近有利于 LLC 諧振電路設(shè)計優(yōu)化。 第六章 90W電腦適配器整機(jī)測試 本 章對 90W 電腦適配器實驗板進(jìn)行整機(jī)測試，包括基本性能測試，并對比其他電路拓?fù)淝彝裙β实燃夁m配器（單級適配器、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驗板的損耗計算和分布， DCDC 部分次級側(cè)損耗較大， 此項工作有利于今后進(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，即使在沒有任何負(fù)載的情況下也可實現(xiàn)軟開關(guān)，這對 DC/DC 電路的效率提高做出很大貢獻(xiàn)。這兩個諧振點的計算公式如下： rrr1 CL2π1f ? rrmr2 )CL(L2π1f ?? 公式 21 考慮到盡可能提高效率，設(shè)計電路時需把工作頻率設(shè)定在 fr1 附近。這個階段隨著 Q2關(guān)斷而結(jié)束。 圖 24 T1~T2 工作階段 Operation at T1~T2 ? T2~ T3: Q1 開通、 Q2 關(guān)斷（一旦 Q1的輸出電容被放電放到零時）。諧振電感電流開始從輸入端經(jīng) Q1 流向地。在死去時間，變壓器漏感 Lm 參與諧振。下圖 8為 LLC 半橋諧振電路在 T5~ T6 工作階段各個元器件工作狀態(tài)。為了減小開關(guān)時的交疊，人們提出了零電流開關(guān)（ ZCS)和零電壓開關(guān) (ZVS)兩種軟開關(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 某一個階段，不是全程參與。正是由于這個特點，可以讓系統(tǒng)工作在串聯(lián)諧振頻率點以獲得高的 效率。 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。 Mmin 如下： λ1 1VinmaxVo2nM min ???= ?M 公式 36 此時，可以得到最高開關(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)載最重時得到最大電壓增益特征函數(shù) Mmax 和最低開關(guān)頻率比： VinminVo2nMmax ? 公式 38 最低開關(guān)頻率比如下公式 37： ?????? ???2M m a x11λ111f 公式 39 同時，從公式 35 可以看出， Lr、 Lm 將決定 LLC 諧振電路無負(fù)載時的電壓增益，這是 設(shè)計當(dāng)中確保電路能否工作在無負(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現(xiàn)電路工作在輕載模式。這時 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 開關(guān)周期的一半（見下圖 41 右圖）。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 ~ 264VAC）。同時借助 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)載獨立工作點。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。這里需要指出的時，電路應(yīng)盡量避免工作在容性區(qū)域（ fsw 接近 fr2），因為電路工作在容性區(qū)域會引起環(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)實現(xiàn)零電壓開通，但是還是要考慮諧振電路工作情況，比如增益、諧振頻率。從能量的角度來看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開關(guān)管的工作條件。而且，由于這個被動 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以零電壓開通。下圖 26 為 LLC 半橋諧振電路在 T3~ T4 工作階段各個 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。 總體來說 LLC 半橋諧振電路的開關(guān)動作和半橋電路無異，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，它能實現(xiàn) MOSFET 零電壓開通。 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，為了確保輕載時輸出電壓的穩(wěn)定，串聯(lián)諧振的開關(guān)頻率往往需要上升到很高，而這種問題在并 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)諧振的最大問題；其二，在上面提到的所有這三個諧振電路中都有一個共同的缺點，那就是回送至輸入端的能量都會隨著輸入電壓的增加而增加。第三是確定 MOSFET 零電壓開通條件，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)計了針對 90W 電腦適配器 應(yīng)用的系統(tǒng)方案，包括前級 PFC 電路，后級 LLC 半橋諧振電路，最后對測試結(jié)果進(jìn)行分析和對比，并驗證理論分析在實驗中的結(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