【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ..................................................... 54 第八章 總結(jié)與展望 ............................................................................................. 55 論文工作回顧 ............................................................................................................................................. 55 論文成果與意義 ......................................................................................................................................... 55 存在的問(wèn)題及進(jìn)一步工作 ........................................................................................................................ 56 參 考 文 獻(xiàn) ...................................................................................................... 58 附錄 1 90W電腦適配器元器件表 .......................................................................... 59 致 謝 ............................................................................................................. 62 作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 ................................................................................. 63 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 1 ~ 第一章引言 課題研究背景與意義 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展， 開(kāi)關(guān)電源 向著高頻化、集成化、模塊化方向發(fā)展。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。功率 諧振變換器 以諧振電路為基本的變換單元，利用諧振時(shí)電流或電壓周期性的過(guò)零，從而使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開(kāi)通或關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，達(dá)到降低開(kāi)關(guān)損耗的目的，進(jìn)一步提高效率，因此得到了重視和研究。諧振網(wǎng)絡(luò)通常由多個(gè)無(wú)源電感或電容組成，由于元件個(gè)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。 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。并聯(lián)諧振的輸出端可以開(kāi)路但不能短路，會(huì)損壞諧振電容，并且過(guò)大的原邊回路電流對(duì)開(kāi)關(guān)器件及電源都會(huì)產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，不 需通過(guò)大幅改變頻率來(lái)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(kāi)關(guān)管的通態(tài)損耗相對(duì)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(duì)恒定的場(chǎng)合。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)。 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?yàn)樗鼉?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(shí) ,頻率變化 仍 很小 ，且 全負(fù) 載范圍內(nèi)切換 可實(shí)現(xiàn) 零電壓轉(zhuǎn)換 (ZVS)。 另外 全球?qū)档湍芎牡男枨笳?促進(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣。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)洌云溥\(yùn)用越來(lái)越廣泛。 本論文致力于研究如何設(shè)計(jì)90W 適配器，使其有效提高效率，增加功率密度，降低開(kāi)關(guān)噪聲，改善電子兼容性。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 2 ~ 課題研究?jī)?nèi)容與任務(wù) 課題研究?jī)?nèi)容 本論文的主要研究的內(nèi)容如下： 分析 LLC 半橋諧振電路的工作原理和不同周期電路工作狀態(tài)； 采用數(shù)學(xué)建模方式，建立 LLC諧振器的分析模型，然后利用該模型分析和總結(jié)設(shè)計(jì)要素； 提出 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ，并通過(guò)試驗(yàn)論證方案； 在進(jìn)行 90W 電腦適配器的實(shí)際項(xiàng)目中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由兩級(jí)構(gòu)成，第一級(jí)為基于 L6563 芯片的 PFC 電路，第二級(jí)為基于 L6599 芯片的 LLC 半橋諧振電路； 90W 電腦適配器整機(jī)性能測(cè)試，并且比較分析與市場(chǎng)上同類產(chǎn)品應(yīng)用不同拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)式的性能； 課題研究任務(wù) 通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證總結(jié)優(yōu)化方案，為項(xiàng)目提供理論基礎(chǔ)及實(shí)踐論證；本人通過(guò)參與 90W電腦適配器項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與測(cè)試，做到掌握 LLC 半橋諧振電路的工作原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并參與測(cè)試 90W 適配器的整機(jī)性能，協(xié)助測(cè)試和分析在市場(chǎng)上同類 適配器應(yīng)用不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能?？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(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。并且針對(duì) LLC 半橋諧振電路，詳細(xì)分析了該電路的工作原理。接著通過(guò)簡(jiǎn)化電路、建立模型研究掌握該電路的工作特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。具體研究了 LLC 諧振電路的優(yōu)化方案，并從 4個(gè)不同方面提出具體改進(jìn)措施。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。 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) 。 第三章 LLC半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模 本章通過(guò)對(duì) LLC 半橋諧振電路的簡(jiǎn)化，用角頻率、輸出阻抗、激磁電感表達(dá)其傳遞函數(shù)。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)。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。首先是開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化設(shè)置，將開(kāi)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。 第二是變壓器和諧振電感的優(yōu)化設(shè)計(jì) ， 可以得出， λ 值需合理設(shè)計(jì) ，過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響電路增益和工作頻率范圍，其值需在實(shí)驗(yàn)中微調(diào) 。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 。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。 第五章 90W電腦適配器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章根據(jù)整個(gè) 90W 電腦適配器的要求進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其前級(jí)是基于 L6563 的 PFC電路，包括磁性器件和主要功率期間的設(shè)計(jì)和選擇；后級(jí)是基于 L6599 的 LLC半橋諧振電路，包括主變壓器和開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)和選擇，給出了各部分性能和參數(shù)，但目前對(duì) LLC諧振電路補(bǔ)償回路的設(shè)計(jì)最有效的方法依然是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成。下一章將對(duì)本實(shí)驗(yàn)板，驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性 。 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) 。 第七章 實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及解決方案 在實(shí)驗(yàn)中， 當(dāng) LLC 半橋諧振電路開(kāi)機(jī)時(shí)， 發(fā)現(xiàn) 上下 MOSFET 是處于硬開(kāi)關(guān)情況，并且流過(guò)較大峰值電流 ； 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 由于 開(kāi)機(jī)瞬間諧振腔沒(méi)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(kāi)關(guān)的風(fēng)險(xiǎn) 。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 ~ 5 ~ 第二章 LLC 半橋諧振電路原理 LLC 半橋諧振電路 不同諧振電路的比較 在目前的諧振電路中，串聯(lián)諧振（ SRC）、并聯(lián)諧振（ PRC）和串并聯(lián)諧振（ SPRC）已經(jīng)被業(yè)界所熟知，它們因未能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通而被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中。但是，它們都不適合應(yīng)用于開(kāi)關(guān)頻率高和效率高的場(chǎng)合。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。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)。 通過(guò)簡(jiǎn)單總結(jié)串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振電路的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出這三種諧振電路在實(shí)現(xiàn)軟揩干的同時(shí)都必須犧牲其它方面的性能，因此都不是理想的軟開(kāi)關(guān)電路。盡管這三種諧振電路都有各自的缺點(diǎn)，但是通過(guò)它們?nèi)?可以得出總結(jié)：第一，諧振電路都有兩個(gè)諧振頻率，通常工作在較高的那個(gè)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(kāi)通，諧振電路工作需工作在直流特性的下降段。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)。接下來(lái)的文章中會(huì)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。 基本電路 LLC 半橋諧振電路中，根據(jù)這個(gè)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。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(jiǎn)單，成本相對(duì)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(guò)一半的有效值電流，且電容量?jī)H為左圖單諧振電容的一半。 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)。這種變換有兩個(gè)諧振頻率。一個(gè) 是 Lr 和 Cr的諧振點(diǎn)，另外一個(gè)諧振點(diǎn)由 Lm, Cr 以及負(fù)載條件決定 。負(fù)載加重，諧振頻率將會(huì)升高。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。其中， fr1 為Cr,Lr 串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，可以通過(guò)降低工作頻率獲得較大的增益。通過(guò)選擇合 適的諧振參數(shù)，可以讓 LLC 諧振變換無(wú)論是負(fù)載變化或是輸