【正文】 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(wú)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(wú)負(fù)載情況下的關(guān)鍵。 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(kāi)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 。 通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)。 t1~t2: 此階段諧振電流反向，并且變壓器次級(jí)側(cè)呈開(kāi)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。隨著下管的開(kāi)通，大量電流涌入下管，這時(shí)容易引起瞬間沖擊電流。 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(kāi)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(kāi)通而是硬開(kāi)通。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(kāi)關(guān)周期的一半（見(jiàn)下圖 41 右圖）。上圖 32中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無(wú)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(kāi)關(guān)頻率比，這樣就有可能使電路工作在無(wú)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(kāi)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。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）。從上圖 3中也可以看出，輸入直流電壓范圍越寬，其開(kāi)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)。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(guò)調(diào)整頻率來(lái)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(guò)提高輸入直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電路工作在輕載模式。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(kāi)通的 MOSFET， PWM控制器的選擇。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)。下面通過(guò)實(shí)際分析 2 種情況來(lái)討論如何設(shè)定最低工作頻率。 Mmin 如下： λ1 1VinmaxVo2nM min ???= ?M 公式 36 此時(shí)，可以得到最高開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率比： VinminVo2nMmax ? 公式 38 最低開(kāi)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(wú)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(wú)負(fù)載情況下的關(guān)鍵。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。但是，對(duì)于前級(jí)連接 PFC 的 LLC 諧振電路來(lái)說(shuō)，這個(gè)缺點(diǎn)可以忽略?；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(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。 LLC 諧振電路輸出電壓調(diào)整主要通過(guò)改變諧振腔輸入方波開(kāi)關(guān)頻率。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(huì)經(jīng)過(guò)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。這里需要指出的時(shí)，電路應(yīng)盡量避免工作在容性區(qū)域（ fsw接近 fr2），因?yàn)殡娐饭ぷ髟谌菪詤^(qū)域會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)定。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(gè)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(jì)的工作區(qū)）和邊界工作區(qū)。正是由于這個(gè)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。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(duì) LLC 半橋諧振電路進(jìn)行以下簡(jiǎn)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(jiǎn)化建模 ~ 13 ~ 圖 31 LLC半橋諧振電路簡(jiǎn)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(gè)諧振頻率中頻率較高者） rrmr2 )CL(L2π1f ?? ； 第二諧振頻率（兩個(gè)諧振頻率中頻率較低者） mrLLλ? ； 諧振電感與變壓器漏感之比，簡(jiǎn)稱“電感比” r1swn fff ? ； 開(kāi)關(guān)頻率與第一諧振頻率之比，簡(jiǎn)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(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)變壓器匝數(shù)比，簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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。 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(kāi)通，但是還是要考慮諧振電路工作情況，比如增益、諧振頻率。零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器的輔助諧振電路只是在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，其它時(shí)間則停止工作。全諧振變換器的諧振元件一直諧振工作，而準(zhǔn)諧振變換器的諧振元件只參與能量變換的 某一個(gè)階段，不是全程參與。目前所研究的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，這種技術(shù)真正減小了開(kāi)關(guān)損耗，而不是損耗的轉(zhuǎn)移，這就是諧振技術(shù)。從能量的角度來(lái)看，它是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開(kāi)關(guān)管的工作條件。對(duì)于 ZVS:使開(kāi)關(guān)管的電壓在開(kāi)通前降到零在關(guān)斷時(shí)保持為零。為了減小開(kāi)關(guān)時(shí)的交疊，人們提出了零電流開(kāi)關(guān)（ ZCS)和零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)兩種軟開(kāi)關(guān)的方法。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 ~ 12 ~ 第三章 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化建模 LLC 半橋諧振電路簡(jiǎn)化 對(duì)于 LLC 諧振電路，首先要了解軟開(kāi)關(guān)。而且，由于這個(gè)被動(dòng) Lm 負(fù)載，可以保證在任何負(fù)載情況下都能工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。這種情況下，變壓器漏電感由于被輸出電壓所鉗位，因此，它會(huì)作為 Lr,Cr 串聯(lián)諧振腔的負(fù)載形式存在，而不參與整個(gè)諧振過(guò)程。下圖 8為 LLC半橋諧振電路在 T5~ T6 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。此時(shí)， Lm 不參與 Lr 和 Cr 的諧振。由于 T4~ T5 階段中 Q2的輸出電容已經(jīng)被放電至零，因此 T5~ T6 階段 Q2以零電壓開(kāi)通。下圖 7為 LLC 半橋諧振電路在 T4~ T5 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。在死去時(shí)間，變壓器漏感 Lm 參與諧振。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(kāi)通創(chuàng)造條件。下圖 26 為 LLC 半橋諧振電路在 T3~ T4 工作階段各個(gè) 元器件工作狀態(tài)。輸出端仍由 D1來(lái)傳輸能量。諧振電感電流開(kāi)始從輸入端經(jīng) Q1 流向地。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)。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 ~ 9 ~ 只有 Lr和 Cr 參與諧振。同時(shí)，輸出整流二級(jí)管 (D1)導(dǎo)通，為輸出端提供能量。 圖 24 T1~T2工作階段 Operation at T1~T2