【正文】 從上圖 3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?；谶@兩點，如果 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨立工作點附近，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)實現(xiàn)調(diào)整。零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器的輔助諧振電路只是在開關(guān)管開關(guān)時工作一段時間，其它時間則停止工作。這種情況下，變壓器漏電感由于被輸出電壓所鉗位，因此，它會作為 Lr,Cr 串聯(lián)諧振腔的負(fù)載形式存在，而不參與整個諧振過程。輸出端仍由 D1 來傳輸能量。 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 ~ 8 ~ 圖 23 T0~T1 工作階段 Operation at T0~T1 ? T1~ T2:Q1 關(guān)斷、 Q2 關(guān)斷；此時為半橋電路死區(qū)時間，諧振電感上的電流仍為負(fù)，諧振電流對 Q1 的輸出電容（ Coss）進行放電，并且對 Q2 的輸出電容（ Coss）進行充電，直到 Q2 的輸出電容的電壓等于輸入電壓（ Vin），為 Q1 下次導(dǎo)統(tǒng)創(chuàng)造零電壓開通的條件。 基本電路 LLC 半橋諧振電路中，根據(jù)這個諧振電容的不同聯(lián)結(jié)方式，典型 LLC 諧振電 路有兩種連接方式，如下圖 1所示。首先是開關(guān)頻率優(yōu)化設(shè)置，將開關(guān)頻率設(shè)置在高于第二諧振頻率附近，有效避免工作在容性區(qū)域。串并聯(lián)諧振電路的輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負(fù)載變化范圍寬，是目前研究領(lǐng)域中較主流的結(jié)構(gòu)。 本文 首先對各種諧振變換器的優(yōu)缺點進行了比較，總結(jié)出 LLC 諧振變換器的主要優(yōu)點。他無論在理論上還是在實踐中，都給與我很大的幫助，使我得到不少的提高這對于我以后的工作和學(xué)習(xí)都有一種巨大的幫助，感謝 他 耐心的輔導(dǎo)。郭謙功老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和誨人不倦的態(tài)度給我留下了深刻的印象。 申請上海交通大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文 LLC半橋諧振電路的設(shè)計與應(yīng)用 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。從他身上，我學(xué)到了許多能受益終生的東西。在論文的撰寫過程中 老師們 給予我很大的幫助，幫助解決了不少的難點，使得論文能夠及時完成，這里一并表示真誠的感 謝。并以 90W 電腦適配器項目為設(shè)計目標(biāo)，對整個系統(tǒng)進行測試， 驗證理論提出的優(yōu)化方案。 為了解決傳統(tǒng)諧振變換器的局限性，提出了 LLC 諧振變換器 ； 因為它優(yōu)于常規(guī)串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器 ，在 負(fù) 載 和輸入變化較大時 ,頻率變化 仍 很小 ，且 全負(fù) 載范圍內(nèi)切換 可實現(xiàn) 零電壓轉(zhuǎn)換 (ZVS)。 第二是變壓器和諧振電感的優(yōu)化設(shè)計 ， 可以得出， λ 值需合理設(shè)計 ，過大或過小均會影響電路增益和工作頻率范圍，其值需在實驗中微調(diào) 。不同之處在于 LLC諧振腔的連接，左圖采用單諧振電容（ 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 ~ 6 ~ 其輸入電流紋波和電流有效值較高，但布線簡單，成本相對較低；右圖采用分體諧振電容（ C1, C2），其輸入電流紋波和電流有效值較低， C1 和 C2 上分別只流過一半的有效值電流，且電容量僅為左圖單諧振電容的一半。由于 Q1體二級管此是出于正向偏置，而 Q2 的體二級管示反相偏置，兩個電感上的電流相等。隨著Q1 關(guān)斷， T3~ T4 階段結(jié)束。由于這個被動負(fù)載， LLC 諧振變換輕載穩(wěn)壓可以不再需要很高頻率。全諧振變換器主要由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振槽路組成，它使得流過開關(guān)管的電流變?yōu)檎叶皇欠讲?，然后設(shè)法使開關(guān)管在某一時刻導(dǎo)通，實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)。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。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。基于這兩點，如果 LLC 諧振電路可以工作在負(fù)載獨立工作點附近，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 現(xiàn)調(diào)整。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。零開關(guān) PWM 變換器是在準(zhǔn)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。 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。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。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)。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?，同時詳細(xì)介紹 LLC 諧振電路原理和技巧。 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。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(dāng)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(fù)載相對恒定的場合。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，都是用來實現(xiàn) ZVS 的。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。 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)計過程中給了我大量的幫助和指導(dǎo)，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。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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。再次對周巍老師表示衷心的感謝。 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，獨立進行研究工作所取得的成果。 90W 電腦適配器 LLC 前級使用 PFC 電路，后級使用 LLC 半橋諧振電路。 另外 全球?qū)档湍芎牡男枨笳?促進節(jié)能技術(shù)的推廣。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 。 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)。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。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)。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。 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。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。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）。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。 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。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。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)。諧振電感電流開始從輸入端經(jīng) Q1 流向地。這個階段隨著 Q2關(guān)斷而結(jié)束。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。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。 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。第二，它可以在整個運行范圍內(nèi)，實現(xiàn)零電壓切換（ ZVS）。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。沒有他們的幫助，我將無法順利完 成這次設(shè)計。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(biāo)明。 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。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。 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。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)?，所以其運用越來越廣泛。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。這種變換有兩個諧振頻率。此階段 ,Lm 和 Lr、 Cr一同參加諧振。 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。 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 。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。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）。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。 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。值得慶幸的是，這個負(fù)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。而諧振變換器又分為全諧振變換器，準(zhǔn)諧振變換器，零開關(guān) PWM 變換器和零轉(zhuǎn)換PWM 變換器。此階段隨著諧振電感 Lr 電流變?yōu)榱愣Y(jié)束，重復(fù) T0~ T1 狀態(tài)。 圖 25 T2~T3 工作階段 Operation at T2~T3 ? T3~ T4:此階段始于諧振電感 Lr 電流變負(fù)為正， Q1開通、 Q2 關(guān)斷，和 T2~ T3階段一樣。在此階段，變壓器漏感不參加諧振， Cr、 Lr 組成了諧振頻率，輸出能量來自于 Cr和 Lr。盡管這三種諧振電路都有各自的缺點，但是通過它們?nèi)?可以得出總結(jié)：第一，諧振電路都有兩個諧振頻率，通常工作在較高的那個諧振頻率電路的效率更高；第二，為了確保功率器件零電壓開通，諧振電路工作需工作在直流特性的下降段。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。諧振網(wǎng)絡(luò)通常由多個無源電感或電容組成，由于元件個數(shù)和連接方式上的差異，按不同諧振方式可分為串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器以及兩者 結(jié)合產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振變換器。首先，它可以在 輸入和 負(fù)載 大范圍 變