【導(dǎo)讀】其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。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。本人完全意識到本聲明的法。律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。默支持，我將無法順利完成今天的學(xué)業(yè)。論文能夠及時完成，這里一并表示真誠的感謝。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。對比常規(guī)諧振器，LLC. 都是用來實(shí)現(xiàn)ZVS的。并以90W電腦適配器項目為設(shè)計目標(biāo)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗證理論提出的優(yōu)化。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。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。分闡述了對LLC半橋諧振電路進(jìn)行簡化和建模，通過分析LLC諧振電路頻域直流特性，器件的選擇，并從實(shí)驗結(jié)果中驗證。

　　

【正文】 元件的諧振過程。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。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(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)。 雖然理論上， LLC 半橋諧振電路可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)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。確保了 LLC 諧振電路工作在期望的區(qū)域，才能保證 MOSFET 實(shí)現(xiàn)零電壓開通。為了更好的分析 MOSFET ZVS 條件與 LLC 諧振電路工作區(qū)域的關(guān)系，首先需要分析諧振電路輸入阻抗，因此對 LLC 半橋諧振電路進(jìn)行以下簡化： 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 ~ 13 ~ 圖 31 LLC 半橋諧振電路簡化電路 Simplified circuit of LLC half bridge resonant circuit LLC 半橋諧振等效電路輸出輸入傳遞函數(shù)如下： o2mo2mmro2mo2mZnjwLZnjwLjwLjwC1ZnjwLZnjwLV i n / 2nVo????? 公式 31 其中：rrr1 CL2π1f ? ； 第一諧振頻率（兩個諧振頻率中頻率較高者） rrmr2 )CL(L2π1f ?? ； 第二諧振頻率（兩個諧振頻率中頻率較低者） mrLLλ? ； 諧振電感與變壓器漏感之比，簡稱“電感比” r1swn fff ? ； 開關(guān)頻率與第一諧振頻率之比，簡稱“頻率比” 2out2outoVn PZQ? ； 品質(zhì)因數(shù) rrrrrro Cf2 π 1Lf2 πCLZ ??????? ； 輸出特征阻抗 sPNNn? ； 初級側(cè)與次級側(cè)變壓器匝數(shù)比，簡稱“匝數(shù)比” 等效 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 ~ 14 ~ 由上述公式 1左邊部分進(jìn)行變化，可以得出兩倍匝數(shù)比與輸出電壓的乘積對輸入電壓關(guān)于頻率比、電感比和品質(zhì)因數(shù)的傳遞函數(shù)為： Vin2nVoQ)λ ,M(f n ? 公式 32 將r1swn fff ? ；mrLLλ? ； 2out2outoVn PZQ? 代入公式 31 并進(jìn)行簡化，可以得出： 2nn222nnf1fQfλλ11Q)λ ,M (f???????? ?????????? ??? 公式 33 LLC 半橋諧振電路的直流特性顯示，如果工作在在 fr1 的右端，它的特點(diǎn)與串聯(lián)諧振相同，而工作在 fr1 的左邊，根據(jù)負(fù)載情況，類似于并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。重載時接近于串聯(lián)諧振，而隨著負(fù)載的減輕越來越接近于并聯(lián)諧振。正是由于這個特點(diǎn)，可以讓系統(tǒng)工作在串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)以獲得高的 效率。這樣由于在低于串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)工作時，工作特性類似于并聯(lián)諧振，因而能夠讓其始終工作在零電壓開關(guān)工作模式。根據(jù)上面的討論， LLC 諧振變換的直流特性可以根據(jù)不同的工作模式分為三個工作區(qū) ,如下圖所示：容性工作區(qū)；感性工作區(qū)（為期望設(shè)計的工作區(qū)）和邊界工作區(qū)。 頻率比 fn 電壓增益特征函數(shù)M 邊界區(qū) 感性區(qū) 容性區(qū) 負(fù)載獨(dú)立 工作 點(diǎn) 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 ~ 15 ~ 圖 32 LLC 諧振電路增益圖 ratio of LLC resonant halfbridge 從上圖中可以看出，當(dāng)電路工作在感性區(qū)域時（藍(lán)色部分）， fn1（即開關(guān)頻率大于 fr1）；當(dāng)電路工作在容性區(qū)域時（黃色部分）， fn1（即開關(guān)頻率小于 fr1）；當(dāng)電路工作在邊界區(qū)域時（黑色粗體虛線），這是電路工作在容性區(qū)域還是感性區(qū)域取決于負(fù)載情況。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。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(dú)立工作點(diǎn)，所謂負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，即電路在這點(diǎn)上的工作頻率和增益不受負(fù)載變化影 響。從上圖 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曲線都會經(jīng)過這個負(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。基于這兩點(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 諧振電路的一個主要缺點(diǎn)。但是，對于前級連接 PFC 的 LLC 諧振電路來說，這個缺點(diǎn)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 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(dú)立工作點(diǎn)上。 上圖中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無負(fù)載時的曲線 ? ???? nfM ； 此時可以將公 33變化為： 2nnfλλ11Q)λ ,M(f??? 公式 34 由于 λ 相對于 2nf 可以忽略不計，那么 ?M 就可以進(jìn)一步簡化為如下公式 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，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。 根據(jù)上面的結(jié)果，實(shí)際設(shè)置工作頻率時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 LLC 半橋諧振電路的簡化，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 半橋諧振電路簡化建模 ~ 17 ~ 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(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，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。基于這兩點(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 諧振電路的一個主要缺點(diǎn)。但是，對于前級連接 PFC 的 LLC 諧振電路來說，這個缺點(diǎn)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）。因此，有前級 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 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 , 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 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 optimiza