【文章內容簡介】 ...............................................................................................................................42 PFC 電路部分 ................................................................................................................................42 DCDC 電路部分 ...........................................................................................................................42 本章小結 ................................................................................................................................................44第七章 實驗中遇到的問題及解決方案 ................................................................................45 實驗中遇到的問題 ................................................................................................................................45 解決方案 ................................................................................................................................................46 本章小結 ................................................................................................................................................48第八章 總結與展望 ........................................................................................................49 論文工作回顧 ........................................................................................................................................49 論文成果與意義 ....................................................................................................................................49 存在的問題及進一步工作 ....................................................................................................................50參 考 文 獻 .................................................................................................................52附錄 1 90W 電腦適配器元器件表 ...................................................................................53致 謝 .........................................................................................................................56作者攻讀學位期間發(fā)表的論文 ..........................................................................................57上海交通大學工程碩士學位論文 　第一章引言 ~ 1 ~第一章引言 課題研究背景與意義隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，開關電源向著高頻化、集成化、模塊化方向發(fā)展。提高開關頻率能減小體積，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，利用諧振時電流或電壓周期性的過零，從而使開關器件在零電壓或零電流條件下開通或關斷，以實現(xiàn)軟開關，達到降低開關損耗的目的，進一步提高效率，因此得到了重視和研究。諧振網(wǎng)絡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；輕載時為穩(wěn)住輸出電壓，必須提高開關頻率，在輕載或空載的情況下，輸出電壓不可調，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循環(huán)而不傳遞到副邊輸出；但在負載串聯(lián)諧振中，流過功率器件的電流隨著負載變輕而減小，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。串并聯(lián)諧振電路的輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負載變化范圍寬，是目前研究領域中較主流的結構。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，在負載和輸入變化較大時,頻率變化仍很小，且全負載范圍內切換可實現(xiàn)零電壓轉換(ZVS)。另外全球對降低能耗的需求正在促進節(jié)能技術的推廣。在 70W 500W 交流輸入電源中，由于 LLC 半橋諧振轉換器 (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。本論文致力于研究如何設計 90W 適配器，使其有效提高效率，增加功率密度，降低開關噪聲，改善電子兼容性。上海交通大學工程碩士學位論文 　第一章引言 ~ 2 ~ 課題研究內容與任務 課題研究內容本論文的主要研究的內容如下：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設計要素；提出 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案，并通過試驗論證方案；在進行 90W 電腦適配器的實際項目中，對整個系統(tǒng)進行設計，系統(tǒng)由兩級構成，第一級為基于 L6563 芯片的 PFC 電路，第二級為基于 L6599 芯片的 LLC 半橋諧振電路；90W 電腦適配器整機性能測試，并且比較分析與市場上同類產(chǎn)品應用不同拓撲電路結構式的性能； 課題研究任務通過反復驗證總結優(yōu)化方案，為項目提供理論基礎及實踐論證；本人通過參與 90W電腦適配器項目的設計與測試，做到掌握 LLC 半橋諧振電路的工作原理和優(yōu)化設計，并參與測試 90W 適配器的整機性能，協(xié)助測試和分析在市場上同類適配器應用不同電路拓撲結構的系統(tǒng)性能?？偨Y并完善 LLC 半橋諧振電路的應用 論文的組織結構及其章節(jié)安排論文首先論述了現(xiàn)有諧振電路優(yōu)缺點及在該領域的技術現(xiàn)狀；然后針對 LLC 諧振電路進行了研究和分析對比，提出運用能夠滿足目前市場對開關電源的高效率、低 D電磁干擾、少元器件和高性價比的要求。并且針對 LLC 半橋諧振電路，詳細分析了該電路的工作原理。接著通過簡化電路、建立模型研究掌握該電路的工作特性和設計要點。具體研究了 LLC 諧振電路的優(yōu)化方案，并從 4 個不同方面提出具體改進措施。而上海交通大學工程碩士學位論文 　第一章引言 ~ 3 ~后具體設計了針對 90W 電腦適配器應用的系統(tǒng)方案，包括前級 PFC 電路，后級 LLC 半橋諧振電路，最后對測試結果進行分析和對比，并驗證理論分析在實驗中的結果。本文各章節(jié)安排內容如下：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。第三章 LLC半橋諧振電路簡化建模本章通過對 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函數(shù)。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)和負載獨立工作點。并且使電路工作在負載獨立工作點附近有利于 LLC 諧振電路設計優(yōu)化。第四章 模塊的硬件設計本章闡述 LLC 諧振電路可以從四個方面著手優(yōu)化電路。首先是開關頻率優(yōu)化設置，將開關頻率設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)化設計，可以得出，λ 值需合理設計，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。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。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。第五章 90W電腦適配器系統(tǒng)設計本章根據(jù)整個 90W 電腦適配器的要求進行了系統(tǒng)設計，其前級是基于 L6563 的 PFC電路，包括磁性器件和主要功率期間的設計和選擇；后級是基于 L6599 的 LLC 半橋諧振電路，包括主變壓器和開關管的設計和選擇，給出了各部分性能和參數(shù)，但目前對LLC 諧振電路補償回路的設計最有效的方法依然是通過實驗來完成。下一章將對本實驗板，驗證理論分析和設計的正確性。第六章 90W電腦適配器整機測試 本章對 90W 電腦適配器實驗板進行整機測試，包括基本性能測試，并對比其他電路拓撲且同等功率等級適配器（單級適配器、準諧振反激適配器）性能，應用 LLC 半橋諧振電路的 90 電腦適配器在效率、短路保護、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 部分次級側上海交通大學工程碩士學位論文 　第一章引言 ~ 4 ~損耗較大，此項工作有利于今后進一步優(yōu)化效率提供理論依據(jù)。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，減少硬開關的風險。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~ 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，它們因未能實現(xiàn)零電壓開通而被廣泛應用于開關電源中。但是，它們都不適合應用于開關頻率高和效率高的場合。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。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。通過簡單總結串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振電路的優(yōu)缺點，可以看出這三種諧振電路在實現(xiàn)軟揩干的同時都必須犧牲其它方面的性能，因此都不是理想的軟開關電路。盡管這三種諧振電路都有各自的缺點，但是通過它們仍可以得出總結：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