【導(dǎo)讀】研究工作所取得的成果。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)表或撰寫過的作品成果。對(duì)論文的研究做出。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。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。諧振電路憑借其軟開關(guān)的特點(diǎn)在滿足以上要求擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比常規(guī)諧振器，LLC. 都是用來實(shí)現(xiàn)ZVS的。并以90W電腦適配器項(xiàng)目為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證理論提出的優(yōu)化。90W電腦適配器LLC前級(jí)使用PFC電路，后級(jí)使用LLC半橋諧振電路。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。分闡述了對(duì)LLC半橋諧振電路進(jìn)行簡(jiǎn)化和建模，通過分析LLC諧振電路頻域直流特性，PFC電路設(shè)計(jì)部分和LLC半橋諧振電路部分，逐步說明設(shè)計(jì)流程和解決方案。勢(shì)，并在待機(jī)功耗等其他方面表現(xiàn)優(yōu)良。

　　

【正文】 10 中可以看出，負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)在第一諧振頻率點(diǎn) fr1 上可以找到，所有 Q曲線都會(huì)經(jīng)過這個(gè)負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，并且所有 Q曲線的電壓增益特征函數(shù) M完全相同。值得慶幸的是，這個(gè)負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)出現(xiàn)在期望的電壓增益曲線的感性工作區(qū)，這時(shí)諧振腔的電流滯后于輸入方波電壓，實(shí)際上，這是 LLC 半橋諧振電路中 MOSFET 實(shí)現(xiàn)零電壓開通的必要條件。 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。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(shí)現(xiàn)電路工作在輕載模式?；谶@兩點(diǎn)，如果 LLC諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)附近，那么其輸出電壓可以在較寬負(fù)載變化范圍且相對(duì)較窄的開關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。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(gè)主要缺點(diǎn)。但是，對(duì)于前級(jí)連接 PFC 的 LLC 諧振電路來說，這個(gè)缺點(diǎn)可以忽略。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）。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。 上圖中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無負(fù)載時(shí)的曲線 ? ???? nfM ； 此時(shí)可以將公 33變化為： 2nnfλλ11Q)λ ,M(f??? 公式 34 由于 λ 相對(duì)于 2nf 可以忽略不計(jì)，那么 ?M 就可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如下公式 35： λ1 1Q)λ ,M( fM n ???? 公式 35 結(jié)合上面的討論，利用最小電壓增益特征函數(shù) Mmin 大于 ?M ，可以在輸入直流電壓最高處可以得到 Mmin，這樣就有可能使電路工作 在無負(fù)載情況下。 Mmin 如下： λ1 1VinmaxVo2nM min ???= ?M 公式 36 此時(shí)，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(shí)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(shí)，從公式 35 可以看出， Lr、 Lm 將決定 LLC 諧振電路無負(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負(fù)載情況下的關(guān)鍵。 根據(jù)上面的結(jié)果，實(shí)際設(shè)置工作頻率時(shí)還須避開最低工作頻率（ fmin）接近第二諧振頻率（ fr2）的情況。下面通過實(shí)際分析 2 種情況來討論如何設(shè)定最低工作頻率。 本章小結(jié) 本章通過對(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 ~ 17 ~ 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 。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 18 ~ 第四 章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 LLC 半橋諧振電路 可以從以下四個(gè)方面考慮優(yōu)化方案：工作頻率設(shè)置， Lr/Lm 之比參數(shù)設(shè)計(jì)，選擇滿足零電壓開通的 MOSFET， PWM控制器的選擇。 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。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(shí)現(xiàn)電路工作在輕載模式?；谶@兩點(diǎn)，如果 LLC諧振電路可以工作在負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)附近，那么其輸出電壓可以在較寬負(fù)載變化范圍且相對(duì)較窄的開關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí) 現(xiàn)調(diào)整。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(gè)主要缺點(diǎn)。但是，對(duì)于前級(jí)連接 PFC 的 LLC 諧振電路來說，這個(gè)缺點(diǎn)可以忽略。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）。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。上圖 32中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無負(fù)載時(shí)的曲線 λ1 1Q)λ ,M( fM n ???? ； ? ???nf ； 公式 41 結(jié)合上面的討論，利用最小電壓增益特征函數(shù) Mmin 大于 ?M ，可以在輸入直流電壓最高處可以得到 Mmin 和最高開關(guān)頻率比，這樣就有可能使電路工作在無負(fù)載情況下： λ1 1VinmaxVo2nM min ??? = ?M ； ?????? ???Mm in11λ111f 公式 42 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 和最低開關(guān)頻率比： VinminVo2nMmax ?； ?????? ???2Mm ax11λ111f 公式 43 根據(jù)上式可以優(yōu)化 LLC 半橋諧振電路工作頻率的范圍。下面例舉一個(gè) 980W 用于上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 19 ~ Server 的 LLC半橋諧振電路設(shè)計(jì) , LLC 諧振電路的輸入電壓為 400V（ PFC 輸出電壓），輸出電壓（電流）為 12V (80A) ： ? 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。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 開關(guān)周期的一半（見下圖 41 右圖）。 表 41 優(yōu)化前參數(shù)設(shè)置 Table 41 Parameter design before optimization 諧振參數(shù) 取值 L6599 參數(shù) 取值 Cr 10nF CF 270pF Lr 110uH RFmin 22kΩ Lm 585uH RFmax fr1 152kHz fmax 170kHz fr2 60kHz fmin 65kHz 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 開關(guān)周期的一半（見下圖 41右圖）。 t0 t1 t2 t3 Possibility of cross conduction LS Vds Resonant current Reverse recovery LS Vgs fr1 fmax fr2 fmin 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 20 ~ 圖 41工作頻率范圍（左）和波形圖（右） （當(dāng) fmin fr2） operation range (left) and waveform (right) (when fmin fr2) 如果將工作波形圖分成若干個(gè)時(shí)間段，可以進(jìn)行分析： t0~t1: 此階段下管開通，諧振腔內(nèi)諧振電流全部流入下管；此時(shí)由于電路工作在容性區(qū)域，電流超前電壓，下管不是零電壓開通而是硬開通。工作頻率由 Cr、 Lr決定。隨著下管的開通，大量電流涌入下管，這時(shí)容易引起瞬間沖擊電流。而且此時(shí)下管的功率損耗非常大，極易引起燒毀。 t1~t2: 此階段諧振電流反向，并且變壓器次級(jí)側(cè)呈開路狀態(tài)；因此諧振電流在此處出現(xiàn)了“平臺(tái)”，諧振頻率則由 Cr、 Lr 和 Lm 決定，所以電 路工作在第二諧振頻率 fr2附近。 t2~t3: 此階段諧振電流反向以恢復(fù)下管體二級(jí)管 , 電路的工作頻率還是在第二諧振頻率 fr2 附近。 通過第一種情況的分析可以看出如果將最低工作頻率（ fmin）設(shè)置在第二諧振頻率（ fr2）附近時(shí)，電路一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)大多數(shù)時(shí)間是工作在容性區(qū)域的，使 MOSFET 一直處于硬開關(guān)模式，對(duì)其散熱產(chǎn)生極不利的影響；并且可以看到上下兩管有“共通”可能，在上面波形圖中，不僅在 MOSFET 開通瞬間也可能在 MOSFET 體二級(jí)管反向恢復(fù)時(shí)都有尖刺電流出現(xiàn)。 ? 優(yōu)化后： 如果最低工作頻率（ fmin）設(shè) 置在高于第二諧振頻率（ fr2）附近，那么 LLC 半橋諧振電路的工作頻率范圍如下圖 42左圖中灰色陰影所示；電路諧振腔內(nèi)正弦諧振電流波形的周期與 MOSFET 開關(guān)電壓周期同步，并且電流之后與電壓，電路工作在感性區(qū)域。 表 42優(yōu)化后參數(shù)設(shè)置 Table 42 Parameter design after optimization 諧振參數(shù) 取值 L6599 參數(shù) 取值 Cs 22nF CF 270pF Lr 110uH RFmin 16kΩ Lm 585uH RFmax fr1 100kHz fmax 187kHz fr2 40kHz fmin 77kHz 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 21 ~ 那么 LLC 半橋諧振電路的工作頻率范圍如下圖 14 左圖中灰色陰影所示；電路諧振腔內(nèi)正弦諧振電流波形的周期與 MOSFET 開關(guān)電壓周期同步，并且電流之后與電壓，電路工作在感性區(qū)域 。 圖 42工作頻率范圍（左）和波形圖（右） （當(dāng) fminfr2） operation range (left) and waveform (right) (when fmin fr2) 從波形圖可以看出當(dāng)最低工作頻率（ fmin）遠(yuǎn)離第二諧振頻率（ fr2）時(shí)， MOSFET在每個(gè)開關(guān)周期都可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，這樣大大降低了 MOSFET 的功耗。 Lr/Lm 設(shè)計(jì)優(yōu)化 從公式 35 可以看出， Lr、 Lm 將決定 LLC 諧振電路無負(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負(fù)載情況下的關(guān)鍵。再者，電路開關(guān)頻率受 λ ，即 Lr、 LmLS Vds LS Ids ZVS Resonant current LS Vgs fr1 fnmax fnmin fr2 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ~ 22 ~ 的影響；隨著 λ 的增加，無載開關(guān)頻率會(huì)提高，電壓增益 ?M 則會(huì)降低，如下圖 43所示： 6 圖 43 LLC諧振電路中 fn, M, λ的關(guān)系 the relationship among fn, M, λ in LLC resonan