llc半桥谐振电路的设计与应用_硕士学位论文(编辑修改稿)

llc半桥谐振电路的设计与应用_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

..................................................... 54 第八章 总结与展望 ............................................................................................. 55 论文工作回顾 ............................................................................................................................................. 55 论文成果与意义 ......................................................................................................................................... 55 存在的问题及进一步工作 ........................................................................................................................ 56 参 考 文 献 ...................................................................................................... 58 附录 1 90W电脑适配器元器件表 .......................................................................... 59 致 谢 ............................................................................................................. 62 作者攻读学位期间发表的论文 ................................................................................. 63 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 ~ 1 ~ 第一章引言 课题研究背景与意义 随着现代电力电子技术的发展， 开关电源 向着高频化、集成化、模块化方向发展。 提高开关频率能减小体积，提高功率密度及可靠性，平滑变化的波形和较小的电压 /电流变化率 也有利于改善系统的电磁兼容性，降低开关噪声。 功率 谐振变换器 以谐振电路为基本的变换单元，利用谐振时电流或电压周期性的过零，从而使开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，以实现软开关，达到降低开关损耗的目的，进一步提高效率，因此得到了重视和研究。 谐振网络通常由多个无源电感或电容组成，由于元件个数和连接方式上的差异，按不同谐振方式可分为串联谐振变换器、并联谐振变换器以及两者 结合产生的串并联谐振变换器。 串联谐振由于是串联分压方式，其直流增益总是小于 1，类似 BUCK 变换器；轻载时为稳住输出电压，必须提高开关频率，在轻载或空载的情况下，输出电压不可调，输入电压升高使系统的工作频率将越来越高于谐振频率，而谐振频率增加，谐振腔的阻抗也随之增加，这就是说越来越多的能量在谐振腔内循环而不传递到副边输出；但在负载串联谐振中，流过功率器件的电流随着负载变轻而减小，使通态损耗减小。 并联谐振的输出端可以开路但不能短路，会损坏谐振电容，并且过大的原边回路电流对开关器件及电源都会产生冲击；轻载时，不 需通过大幅改变频率来稳住输出电压，与串联谐振相比变换器工作范围更大，可工作至空载；当轻载时输入电流变化不大，开关管的通态损耗相对固定，在轻载时的效率比较低，较为适合工作于额定功率处负载相对恒定的场合。 串并联谐振电路的输出电压可高于或低于电源电压，且负载变化范围宽，是目前研究领域中较主流的结构。 为了解决传统谐振变换器的局限性，提出了 LLC 谐振变换器 ； 因为它优于常规串联谐振变换器和并联谐振变换器 ，在 负 载 和输入变化较大时 ,频率变化 仍 很小 ，且 全负 载范围内切换 可实现 零电压转换 (ZVS)。 另外 全球对降低能耗的需求正在 促进节能技术的推广。 在 70W 500W 交流输入电源中，由于 LLC 半桥 谐振转换器 (效率通常在 90%以上 ) 的效率高于标准电源拓扑，所以其运用越来越广泛。 本论文致力于研究如何设计90W 适配器，使其有效提高效率，增加功率密度，降低开关噪声，改善电子兼容性。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 ~ 2 ~ 课题研究内容与任务 课题研究内容 本论文的主要研究的内容如下： 分析 LLC 半桥谐振电路的工作原理和不同周期电路工作状态； 采用数学建模方式，建立 LLC谐振器的分析模型，然后利用该模型分析和总结设计要素； 提出 LLC 半桥谐振电路优化方案 ，并通过试验论证方案； 在进行 90W 电脑适配器的实际项目中，对整个系统进行设计，系统由两级构成，第一级为基于 L6563 芯片的 PFC 电路，第二级为基于 L6599 芯片的 LLC 半桥谐振电路； 90W 电脑适配器整机性能测试，并且比较分析与市场上同类产品应用不同拓扑电路结构式的性能； 课题研究任务 通过反复验证总结优化方案，为项目提供理论基础及实践论证；本人通过参与 90W电脑适配器项目的设计与测试，做到掌握 LLC 半桥谐振电路的工作原理和优化设计，并参与测试 90W 适配器的整机性能，协助测试和分析在市场上同类 适配器应用不同电路拓扑结构的系统性能。 总结并完善 LLC 半桥谐振电路的应用 论文的组织结构及其章节安排 论文首先 论述了现有谐振电路优缺点及在该领域的技术现状；然后针对 LLC 谐振电路进行了研究和分析对比，提出运用能够满足目前市场对开关电源的高效率、低 D电磁干扰、少元器件和高性价比的要求。 并且针对 LLC 半桥谐振电路，详细分析了该电路的工作原理。 接着通过简化电路、建立模型研究掌握该电路的工作特性和设计要点。 具体研究了 LLC 谐振电路的优化方案，并从 4个不同方面提出具体改进措施。 而后具体设计了针对 90W 电脑适配器 应用的系统方案，包括前级 PFC 电路，后级 LLC 半桥谐振电路，最后对测试结果进行分析和对比，并验证理论分析在实验中的结果。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 ~ 3 ~ 本文各章节安排内容如下： 第二章 LLC半桥谐振电路原理 本章比较了不同谐振电路，分析了 LLC 半桥谐振电路在各个时间的工作特性和状态，阐述了 LLC 谐振变换器的工作原理和工作过程，说明 LLC 谐振变换器是一种具有布线简单、成本低、性能稳定和可靠性高的优点。 第三章 LLC半桥谐振电路简化建模 本章通过对 LLC 半桥谐振电路的简化，用角频率、输出阻抗、激磁电感表达其传递函数。 同时借助 LLC 谐振电路直流特性图分 析其不同工作区域：容性区，感性区，边界区和负载独立工作点。 并且使电路工作在负载独立工作点附近有利于 LLC谐振电路设计优化。 第四章 模块的硬件设计 本章阐述 LLC 谐振电路可以从四个方面着手优化电路。 首先是开关频率优化设置，将开关频率设置在高于第二谐振频率附近，有效避免工作在容性区域。 第二是变压器和谐振电感的优化设计 ， 可以得出， λ 值需合理设计 ，过大或过小均会影响电路增益和工作频率范围，其值需在实验中微调。 第三是确定 MOSFET 零电压开通条件，满足这一要求的 MOSFET 可以遵循本章所 得公式 414 选择。 最后是要选择具有 初级测电流监测功能的 LLC 半桥谐振电路 PWM 控制芯片，这种芯片可以有效防止电路进入容性区域 ，提高效率。 第五章 90W电脑适配器系统设计 本章根据整个 90W 电脑适配器的要求进行了系统设计，其前级是基于 L6563 的 PFC电路，包括磁性器件和主要功率期间的设计和选择；后级是基于 L6599 的 LLC半桥谐振电路，包括主变压器和开关管的设计和选择，给出了各部分性能和参数，但目前对 LLC谐振电路补偿回路的设计最有效的方法依然是通过实验来完成。 下一章将对本实验板，验证理论分析和设计的正确性。 第六章 90W电脑适配器整机测试 本 章对 90W 电脑适配器实验板进行整机测试，包括基本性能测试，并对比其他电路拓扑且同等功率等级适配器（单级适配器、准谐振反激适配器）性能，应用 LLC 半桥谐振电路的 90 电脑适配器在效率、短路保护、功率因数、电流谐波方面都优于其它两种适配器；本章还较大篇幅的分析了此实验板的损耗计算和分布， DCDC 部分次级侧损耗较大， 此项工作有利于今后进一步优化效率提供理论依据。 第七章 实验中遇到的问题及解决方案 在实验中， 当 LLC 半桥谐振电路开机时， 发现 上下 MOSFET 是处于硬开关情况，并且流过较大峰值电流 ； 通过实验验证， 由于 开机瞬间谐振腔没有正常工作，下管 选择需上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 ~ 4 ~ 较 小 体二极管恢复时间的 MOSFET 能明显减少大尖峰电流的峰峰值，减少硬开关的风险。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 LLC 半桥谐振电路原理 ~ 5 ~ 第二章 LLC 半桥谐振电路原理 LLC 半桥谐振电路 不同谐振电路的比较 在目前的谐振电路中，串联谐振（ SRC）、并联谐振（ PRC）和串并联谐振（ SPRC）已经被业界所熟知，它们因未能实现零电压开通而被广泛应用于开关电源中。 但是，它们都不适合应用于开关频率高和效率高的场合。 首先是串联谐振，为了确保轻载时输出电压的稳定，串联谐振的开关频率往往需要上升到很高，而这种问题在并 联谐振和串并联谐振中并不存在，但是并联谐振的关断电流比串联谐振大很多，这是并联谐振的最大问题；其二，在上面提到的所有这三个谐振电路中都有一个共同的缺点，那就是回送至输入端的能量都会随着输入电压的增加而增加。 最后，这三种谐振电路的工作频率都会随着输入电压的增加而提高，并且随输入电压的增加，工作频率离谐振频率越远。 通过简单总结串联谐振、并联谐振和串并联谐振电路的优缺点，可以看出这三种谐振电路在实现软揩干的同时都必须牺牲其它方面的性能，因此都不是理想的软开关电路。 尽管这三种谐振电路都有各自的缺点，但是通过它们仍 可以得出总结：第一，谐振电路都有两个谐振频率，通常工作在较高的那个谐振频率电路的效率更高；第二，为了确保功率器件零电压开通，谐振电路工作需工作在直流特性的下降段。 事实上， LLC 半桥谐振电路克服了串联谐振电路轻载输出调整差的缺点，即使在没有任何负载的情况下也可实现软开关，这对 DC/DC 电路的效率提高做出很大贡献。 接下来的文章中会具体讨论 MOSFET 在 LLC 拓扑中的性能和可靠性，同时详细介绍 LLC 谐振电路原理和技巧。 基本电路 LLC 半桥谐振电路中，根据这个谐振电容的不同联结方式，典型 LLC谐振电 路有两种连接方式，如下图 1所示。 不同之处在于 LLC谐振腔的连接，左图采用单谐振电容（ Cr），上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 LLC 半桥谐振电路原理 ~ 6 ~ 其输入电流纹波和电流有效值较高，但布线简单，成本相对较低；右图采用分体谐振电容（ C1, C2），其输入电流纹波和电流有效值较低， C1 和 C2 上分别只流过一半的有效值电流，且电容量仅为左图单谐振电容的一半。 图 21 典型电路 Tipical Circuit LLC 半桥谐振电路基本原理 LLC 谐振变换的直流特性分为零电压工作区和零电流工作区。 这种变换有两个谐振频率。 一个 是 Lr 和 Cr的谐振点，另外一个谐振点由 Lm, Cr 以及负载条件决定。 负载加重，谐振频率将会升高。 这两个谐振点的计算公式如下： rrr1 CL2π1f  rrmr2 )CL(L2π1f  公式 21 考虑到尽可能提高效率，设计电路时需把工作频率设定在 fr1 附近。 其中， fr1 为Cr,Lr 串联谐振腔的谐振频率。 当输入电压下降时，可以通过降低工作频率获得较大的增益。 通过选择合 适的谐振参数，可以让 LLC 谐振变换无论是负载变化或是输。