【正文】 因?yàn)檩斎腚妷?Vin是一個(gè)矩形波，假設(shè)諧振電流 Ir 是理想的正弦波形，那么就可以很容易得到諧振電壓： 公式 46dcrVπ 2?Vdc 是上下兩管中間聯(lián)結(jié)點(diǎn)的電壓，即下管漏極電壓。圖 44 LLC 諧振電路中 MOSFET 零電壓開通波形圖 Zero switching of MOSFET in LLC resonant circuitCH1: 上管漏極電壓 CH3: 上管電流 CH2: 下管漏極電壓 CH4: 下管電流 無載ZVS滿載ZVSCH1: 上管漏極電壓 CH3: 上管電流 CH2:下管漏極電壓 CH4: 下管電流上管開通 下管開通CH1: 上管漏極電壓 CH3: 上管電流 CH2: 下管漏極電壓 CH4: 下管電流上海交通大學(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~ 24 ~由上圖 44 可以看出，MOSFET 無論在滿載還是無負(fù)載時(shí)都實(shí)現(xiàn)了零電壓開通的理想狀態(tài)，并且電流始終滯后于電壓。再者，電路開關(guān)頻率受 ，即λLr、Lm 的影響；隨著 的增加，無載開關(guān)頻率會(huì)提高，電壓增益 則會(huì)降低，如下圖λ ?M43 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 resonant circuit根據(jù)上面的仿真結(jié)果，對(duì)于 LLC 可以看出 λ 值越小，電路的激磁電流和增益越高；且 λ 越小，所需穩(wěn)壓的頻率范圍越大。? 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。而且此時(shí)下管的功率損耗非常大，極易引起燒毀。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 270pFLr 110uH RFmin 22kΩLm 585uH RFmax fr1 152kHz fmax 170kHzfr2 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） 。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?；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。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。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。因?yàn)?LLC 諧振電路的輸入上海交通大學(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 ~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） 。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。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 情況下的曲線，可以看出 LLC 諧振電路有一個(gè)負(fù)載獨(dú)立工作點(diǎn)，所謂負(fù)載λ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。這樣由于在低于串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)工作時(shí)，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。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。零開關(guān) PWM 變換器是在準(zhǔn)諧振的基礎(chǔ)上加入一個(gè)輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程。這種方法對(duì)變換器的效率沒有提高，甚至?xí)剐式档汀?duì)于 ZCS：使開關(guān)管的電流在開通時(shí)保持在零，在關(guān)斷前使電流降到零。 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(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程，說明 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)。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 2 死區(qū)時(shí)間外，絕大多數(shù)時(shí)間，電路都可以工作在由 Lr 和 Cr 構(gòu)成的較高的諧振頻率。能量由諧振電感 Lr 經(jīng) Q2 續(xù)流，輸出端由D2 提供能量。此階段隨著 Q2 開通而結(jié)束。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(shí)為半橋電路死區(qū)時(shí)間。變壓器漏感 Lm 此時(shí)被此電流充電，因此參加諧振的器件只有 Lr 和 Cr。一旦諧振電感 Lr 上的電流為零時(shí)，T2~ T3 階段結(jié)束。此時(shí)諧振電感上的電流仍舊為負(fù)，電流經(jīng) Q1 的體二級(jí)管流回輸入端（Vin）。此階段,Lm 和 Lr、Cr 一同參加諧振。下圖 3 為 LLC 半橋諧振電路在 T0~ T1工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。其工作波形圖如下：圖 22 工作波形示意圖 Operation Waveform上圖為理想半橋諧振電路工作波形圖；圖中，Vgs1 和 Vgs2 分別是 2 的驅(qū)動(dòng)波形，Ir 為諧振電感 Lr 電感電流波形，Im 為變壓器漏感 Lm 電流波形，Id1 和 Id2 分別是次級(jí)側(cè)輸出整流二級(jí)管波形，Ids1 則為 Q1 導(dǎo)通電流。其中，fr1為 Cr,Lr 串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。這種變換有兩個(gè)諧振頻率。接下來的文章中會(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。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)。第七章 實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方案 在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng) LLC 半橋諧振電路開機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)上下 MOSFET 是處于硬開關(guān)情況，并且流過較大峰值電流；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由于開機(jī)瞬間諧振腔沒有正常工作，下管選擇需較小體二極管恢復(fù)時(shí)間的 MOSFET 能明顯減少大尖峰電流的峰峰值，減少硬開關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。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。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程，說明 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)。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。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(yùn)用越來越廣泛。并聯(lián)諧振的輸出端可以開路但不能短路，會(huì)損壞諧振電容，并且過大的原邊回路電流對(duì)開關(guān)器件及電源都會(huì)產(chǎn)生沖擊；輕載時(shí)，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(shí)輸入電流變化不大，開關(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。提高開關(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，降低開關(guān)噪聲。測(cè)試部分不僅針對(duì)應(yīng)用 LLC 半橋諧振的 90W 電腦適配器，同時(shí)協(xié)助測(cè)試分析市場(chǎng)上其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同等功率等級(jí)電腦適配器。文章第一部分總結(jié)了不同諧振變換器的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了 LLC 型諧振變換器的原理，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。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(shí)現(xiàn) ZVS 的。雖然在這方面可選的 DCDC 拓?fù)浔姸啵?LLC 半橋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)。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內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。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。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。對(duì)比常規(guī)諧振器，LLC 型諧振變換器具有許多優(yōu)點(diǎn)。本文首先對(duì)各種諧振變換器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，總結(jié)出 LLC 諧振變換器的主要優(yōu)點(diǎn)。第二部分闡述了對(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，總結(jié)實(shí)際設(shè)計(jì)要素。通過比較，90W 半橋諧振適配器在效率方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，并在待機(jī)功耗等其他方面表現(xiàn)優(yōu)良。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零，從而使開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開通或關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的，進(jìn)一步提高效率，因此得到了重視和研究。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，降低開關(guān)噪聲，改善電子兼容性。接著通過簡(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)。第三章 LLC半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模本章通過對(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)其傳遞函數(shù)。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。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實(shí)驗(yàn)來完成。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)零電壓開通而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。通過簡(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關(guān)電路。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 ~ 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。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。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，可以通過降低工作頻率獲得較大的增益。波形圖根據(jù)不同工作狀態(tài)被分成 6 個(gè)階段，下面具體分析各個(gè)狀態(tài)，LLC 諧振電路工作情況：? T0~ T1: Q1 關(guān)斷、Q2 開通；這個(gè)時(shí)候諧振電感上的電流為負(fù)，方向流向 Q2。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(shí)為半橋電路死區(qū)時(shí)間，諧振電感上的電流仍為負(fù)，諧振電流對(duì) Q1 的輸出電容（Coss）進(jìn)行放電，并且對(duì) Q2 的輸出電容（Coss）進(jìn)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。隨著 Q1 開通，T1~ T2 階段結(jié)束。同時(shí)，輸出整流二級(jí)管(D1)導(dǎo)通，為輸出端提供能量。下圖 5 為 LLC 半橋諧振電路在 T2~ T3 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。輸出端仍由 D1 來傳輸能量。此時(shí)，諧振電感電流對(duì)Q1 的輸出電容 Coss 進(jìn)行充電，并對(duì) Q2 的輸出電容 Coss 進(jìn)行放電直到 Q2 上輸出電容電壓為零，導(dǎo)通 Q2 的體二級(jí)管，為 Q2 零電壓開通創(chuàng)造條件。下圖