【正文】 表 41 優(yōu)化前參數(shù)設(shè)置 Table 41 Parameter design before optimizatio。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。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。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(duì)較窄的開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)實(shí) 現(xiàn)調(diào)整。 頻率設(shè)置優(yōu)化 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。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 。 本章小結(jié) 本章通過(guò)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)。 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(kāi)最低工作頻率（ fmin）接近第二諧振頻率（ fr2）的情況。 上圖中的紅色曲線為 LLC 諧振電路無(wú)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(wú)負(fù)載情況下。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）。從上圖10 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。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(kāi)通的必要條件。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(gè)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。 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(jiǎn)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(shí)（藍(lán)色部分）， fn1（即開(kāi)關(guān)頻率大于 fr1）；當(dāng)電路工作在容性區(qū)域時(shí)（黃色部分）， fn1（即開(kāi)關(guān)頻率小于 fr1）；當(dāng)電路工作在邊界區(qū)域時(shí)（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。這樣由于在低于串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)工作時(shí)，工作特性類(lèi)似于并聯(lián)諧振，因而能夠讓其始終工作在零電壓開(kāi)關(guān)工作模式。重載時(shí)接近于串聯(lián)諧振，而隨著負(fù)載的減輕越來(lái)越接近于并聯(lián)諧振。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(kāi)通。全諧振變換器主要由開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)和諧振槽路組成，它使得流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流變?yōu)檎叶皇欠讲?，然后設(shè)法使開(kāi)關(guān)管在某一時(shí)刻導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開(kāi)關(guān)。零開(kāi)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(kāi)關(guān)管，來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程。而諧振變換器又分為全諧振變換器，準(zhǔn)諧振變換器，零開(kāi)關(guān) PWM 變換器和零轉(zhuǎn)換PWM 變換器。這種方法對(duì)變換器的效率沒(méi)有提高，甚至?xí)剐式档?。最早的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是采用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于 ZCS：使開(kāi)關(guān)管的電流在開(kāi)通時(shí)保持在零，在關(guān)斷前使電流 降到零。對(duì)于普通的拓?fù)涠?，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)，MOSFET 的 DS 間的電壓與電流產(chǎn)生交疊，因此產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。 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(guò)程，說(shuō)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) 。由于這個(gè)被動(dòng)負(fù)載， LLC 諧振變換輕載穩(wěn)壓可以不再需要很高頻率。 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 Q Q2 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。此階段隨著諧振電感 Lr 電流變?yōu)榱愣Y(jié)束，重復(fù) T0~ T1 狀態(tài)。能量由諧振電感 Lr 經(jīng) Q2 續(xù)流，輸出端由D2 提供能量。 圖 26 T4~T5 工作階段 Operation at T4~T5 ? T5~ T6: Q1 關(guān)斷， Q2 導(dǎo)通。此階段隨著 Q2開(kāi)通而結(jié)束。在此期間，變壓器二次側(cè)跟 T1~ T2 階段一樣，脫離初級(jí)側(cè)。 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。隨著Q1 關(guān)斷， T3~ T4 階段結(jié)束。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。 圖 25 T2~T3 工作階段 Operation at T2~T3 ? T3~ T4:此階段始于諧振電感 Lr 電流變負(fù)為正， Q1開(kāi)通、 Q2 關(guān)斷，和 T2~ T3階段一樣。一旦諧振電感 Lr 上的電流為零時(shí)， T2~ T3 階段結(jié)束 。變壓器漏感（ Lm）在此階段被持續(xù)充電。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）。下圖 4 為 LLC 半橋諧振電路在 T1~ T2 工作階段各個(gè)元器件工作狀態(tài)。此階段 ,Lm 和 Lr、 Cr一同參加諧振。由于 Q1體二級(jí)管此是出于正向偏置，而 Q2 的體二級(jí)管示反相偏置，兩個(gè)電感上的電流相等。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)。在此階段，變壓器漏感不參加諧振， Cr、 Lr 組成了諧振頻率，輸出能量來(lái)自于 Cr和 Lr。其工作波形圖如下： 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 ~ 7 ~ 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 Q Q2 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。通過(guò)選擇合 適的諧振參數(shù)，可以讓 LLC 諧振變換無(wú)論是負(fù)載變化或是輸入電壓變化都能工作在零電壓工作區(qū)。其中， fr1 為Cr,Lr 串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。負(fù)載加重，諧振頻率將會(huì)升高。這種變換有兩個(gè)諧振頻率。不同之處在于 LLC諧振腔的連接，左圖采用單諧振電容（ Cr），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 ~ 其輸入電流紋波和電流有效值較高，但布線簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低；右圖采用分體諧振電容（ C1, C2），其輸入電流紋波和電流有效值較低， C1 和 C2 上分別只流過(guò)一半的有效值電流，且電容量?jī)H為左圖單諧振電容的一半。接下來(lái)的文章中會(huì)具體討論 MOSFET 在 LLC 拓?fù)渲械男阅芎涂煽啃?，同時(shí)詳細(xì)介紹 LLC 諧振電路原理和技巧。盡管這三種諧振電路都有各自的缺點(diǎn)，但是通過(guò)它們?nèi)?可以得出總結(jié)：第一，諧振電路都有兩個(gè)諧振頻率，通常工作在較高的那個(gè)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(kāi)通，諧振電路工作需工作在直流特性的下降段。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)。但是，它們都不適合應(yīng)用于開(kāi)關(guān)頻率高和效率高的場(chǎng)合。 第七章 實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及解決方案 在實(shí)驗(yàn)中， 當(dāng) LLC 半橋諧振電路開(kāi)機(jī)時(shí)， 發(fā)現(xiàn) 上下 MOSFET 是處于硬開(kāi)關(guān)情況，并且流過(guò)較大峰值電流 ； 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 由于 開(kāi)機(jī)瞬間諧振腔沒(méi)有正常工作，下管 選擇需上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 4 ~ 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(kāi)關(guān)的風(fēng)險(xiǎn) 。下一章將對(duì)本實(shí)驗(yàn)板，驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性 。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。 第二是變壓器和諧振電感的優(yōu)化設(shè)計(jì) ， 可以得出， λ 值需合理設(shè)計(jì) ，過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響電路增益和工作頻率范圍，其值需在實(shí)驗(yàn)中微調(diào) 。 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。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)。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 3 ~ 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(guò)程，說(shuō)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) 。具體研究了 LLC 諧振電路的優(yōu)化方案，并從 4 個(gè)不同方面提出具體改進(jìn)措施。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。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 ~ 2 ~ 課題研究?jī)?nèi)容與任務(wù) 課題研究?jī)?nèi)容 本論文的主要研究的內(nèi)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(xué)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(jié)設(shè)計(jì)要素； 提出 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案 ，并通過(guò)試驗(yàn)論證方案； 在進(jìn)行 90W 電腦適配器的實(shí)際項(xiàng)目中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由兩級(jí)構(gòu)成，第一級(jí)為基于 L6563