LLC半橋諧振電路的設(shè)計與應(yīng)用

1、申請上海交通大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文LLCLLC 半橋諧振電路的設(shè)計與應(yīng)用半橋諧振電路的設(shè)計與應(yīng)用學(xué)學(xué) 校：校：上海交通大學(xué)院院 系：系：微納科學(xué)研究院班班 級：級： Z0834021學(xué)學(xué) 號：號： 1083402006工程碩士生工程碩士生: 董 艷工程領(lǐng)域：工程領(lǐng)域：電子與通信工程導(dǎo)導(dǎo) 師師：戴慶元（教授）導(dǎo)導(dǎo) 師師： 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院20112011 年年 1 1 月月Design and Application of LLC Half bridge Resonant circuit Author：Dong Yan Specialty:

2、Semiconductor Science Advisor : Prof. Dai Qingyuan Advisor : School of Electronics and Electric EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai， P.R.ChinaJan， 2011上海交通大學(xué)上海交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已

3、在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日上海交通大學(xué)上海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。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。 保密保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于 不保密不保密。（請在以上方框內(nèi)打“” ）學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年

4、 月 日上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 I LLCLLC 半橋諧振電路的設(shè)計與應(yīng)用半橋諧振電路的設(shè)計與應(yīng)用摘摘 要要現(xiàn)代開關(guān)電源要求具有較高的功率密度和平滑的電磁干擾（EMI）信號，并且所需要的電子元器件數(shù)量少、效率高。雖然在這方面可選的 DC-DC 拓撲眾多，但是 LLC 半橋諧振電路憑借其軟開關(guān)的特點在滿足以上要求擁有獨特的優(yōu)勢。對比常規(guī)諧振器，LLC 型諧振變換器具有許多優(yōu)點。首先，它可以在輸入和負載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時開關(guān)頻率變化相對很小。第二，它可以在整個運行范圍內(nèi)，實現(xiàn)零電壓切換（ZVS） 。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

5、，都是用來實現(xiàn) ZVS 的。本文首先對各種諧振變換器的優(yōu)缺點進行了比較，總結(jié)出 LLC 諧振變換器的主要優(yōu)點。并以 90W 電腦適配器項目為設(shè)計目標(biāo)，對整個系統(tǒng)進行測試，驗證理論提出的優(yōu)化方案。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。文章第一部分總結(jié)了不同諧振變換器的優(yōu)缺點，介紹了 LLC 型諧振變換器的原理，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行逐一闡述和分析。第二部分闡述了對 LLC 半橋諧振電路進行簡化和建模，通過分析 LLC 諧振電路頻域直流特性，總結(jié)實際設(shè)計要素。第三部分提出實際優(yōu)化方案，其中包括設(shè)計主變壓器設(shè)計和關(guān)鍵

6、元器件的選擇，并從實驗結(jié)果中驗證。最后，通過對 90W 電腦適配器項目的設(shè)計，包括 PFC 電路設(shè)計部分和 LLC 半橋諧振電路部分，逐步說明設(shè)計流程和解決方案。測試部分不僅針對應(yīng)用 LLC 半橋諧振的 90W 電腦適配器，同時協(xié)助測試分析市場上其他拓撲結(jié)構(gòu)的同等功率等級電腦適配器。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，并在待機功耗等其他方面表現(xiàn)優(yōu)良。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：LLC, 半橋諧振電路, MOSFET, 軟開關(guān)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 ABSTRACT II Design and Application of LLC Half bridge Resonant Cir

7、cuitABSTRACTModern switching power demands power supply with high power density, smooth EMI signal, and high efficiency, less external components. Although there are variable DC-DC topology in this field, LLC half bridge resonant circuit has unique advantages because of its ZVS (Zero Voltage Switchi

8、ng) feature. As for other normal resonant circuit, LLC resonant circuit has lots of virtue. Firstly, LLC resonant circuit is able to adjust output when input voltage and output load change in wide range. Meanwhile its switching frequency has little change compares to other normal resonant circuit. S

9、econdly, LLC resonant circuit is able to achieve ZVS within whole operation range. Lastly, in LLC resonant circuit, all the components are to achieve ZVS, including all capacitor, leakage inductor and magnetizing inductor of transformer.In this article, different resonant circuits are contrasted and

10、 main advantages of LLC resonant circuit comes out through the comparison. Then through 90W adaptor project, the optimization proposals are verified in experiment by testing whole board. There are two stages in 90W adaptor, first stage is PFC circuit based on L6563, and second stage is LLC half brid

11、ge resonant circuit based on L6599. First part of this article is to conclude virtue and defect of different resonant circuit and introduce the principle. The working feature and principle are explained one by one when circuit working in different period. In second part of this article, LLC half bri

12、dge resonant circuit simplification and model build are introduced. Through conversion ratio of LLC resonant circuit, the main design key points are concluded. Some optimization proposals are 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 ABSTRACT III raised in the third part of this article, including design key points of main tr

13、ansformer and key components selection. They are needed to be verified in experiment. In the last part of this article, by working on project -90W adapter for notebook, the design flowchart is listed step by step. Both PFC circuit and LLC half bridge resonant circuit are included. Meanwhile, the rel

14、ative problems in experiment are also raised and its solution is provided according to personal point of view. The testing job is not only for this 90W LLC half bridge resonant adaptor, but also other 90W adaptor with different topology. By compared with other topoloies, 90W half bridge LLC has obvi

15、ous advantage on efficiency. For other factors, it also performs very well.KEY WORDS LLC, Half bridge resonant circuit, MOSFET, ZVS 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 符號說明 IV 符號說明Abbreviations縮略語縮略語Full spelling英文全名英文全名Chinese explanation中文解釋中文解釋PFCPower Factor Corrector功率因數(shù)校正器ZVSZero Voltage Switching零電壓開通SRCSeires Re

16、sonant Circuit串聯(lián)諧振電路PRC Parallel Resonant Circuit并聯(lián)諧振電路SPRCSeires - Parallel Resonant Circuit串并聯(lián)諧振電路 注：在此縮略語按字母順序排列，并非按文中出現(xiàn)順序排列。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目錄 V 目目 錄錄 摘摘 要要.IABSTRACT.II符號說明符號說明.IV第一章引言第一章引言.71.1 課題研究背景與意義.71.2 課題研究內(nèi)容與任務(wù).81.2.1 課題研究內(nèi)容.81.2.2 課題研究任務(wù).81.3 論文的組織結(jié)構(gòu)及其章節(jié)安排.8第二章第二章 LLC 半橋諧振電路原理半橋諧振電路原理.

17、22.1 LLC 半橋諧振電路 .22.1.1 不同諧振電路的比較.22.1.2 基本電路.22.2 LLC 半橋諧振電路基本原理 .32.3 本章小結(jié).7第三章第三章 LLC 半橋諧振電路簡化建模半橋諧振電路簡化建模.83.1 LLC 半橋諧振電路簡化 .83.2 本章小結(jié).12第四章第四章 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案半橋諧振電路優(yōu)化方案.134.1 頻率設(shè)置優(yōu)化.134.2 LR/LM設(shè)計優(yōu)化.164.3 MOSFET 零電壓開通條件.174.4 PWM 控制器選擇優(yōu)化 .194.5 本章小結(jié).21第五章第五章 90W 電腦適配器系統(tǒng)設(shè)計電腦適配器系統(tǒng)設(shè)計.225.1 PFC 部分設(shè)計基

18、于 PFC 控制芯片 L6563 .225.1.1 功率因數(shù)矯正的基本概念.225.1.2 90W 電腦適配器 PFC 部分設(shè)計.245.2 DC-DC 部分設(shè)計基于半橋 LLC 控制芯片 L6599.275.3 本章小結(jié).31第六章第六章 90W 電腦適配器整機測試電腦適配器整機測試.326.1 整機測試.326.2 測試分析.376.2.1 效率比較.376.2.2 待機功耗比較.386.2.3 短路保護比較.396.2.4 功率因數(shù)比較.396.2.5 電流諧波比較.40上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目錄 VI 6.3 損耗分析.426.3.1 PFC 電路部分.426.3.2 DC-D

19、C 電路部分.426.4 本章小結(jié).44第七章第七章 實驗中遇到的問題及解決方案實驗中遇到的問題及解決方案.457.1 實驗中遇到的問題.457.2 解決方案.467.3 本章小結(jié).48第八章第八章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 .498.1 論文工作回顧.498.2 論文成果與意義.498.3 存在的問題及進一步工作.50參參 考考 文文 獻獻 .52附錄附錄 1 90W 電腦適配器元器件表電腦適配器元器件表.53致致 謝謝 .56作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 .57上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 1 第一章引言第一章引言1.1 課題研究背景與意義課題研究背景與意義

20、隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源向著高頻化、集成化、模塊化方向發(fā)展。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。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，以實現(xiàn)軟開關(guān)，達到降低開關(guān)損耗的目的，進一步提高效率，因此得到了重視和研究。諧振網(wǎng)絡(luò)通常由多個無源電感或電容組成，由于元件個數(shù)和連接方式上的差異，按不同諧振方式可分為串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器以及兩者結(jié)合產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振變換器。串聯(lián)諧振由于是串聯(lián)分壓方式，其直流增益總是小

21、于 1，類似 BUCK 變換器；輕載時為穩(wěn)住輸出電壓，必須提高開關(guān)頻率，在輕載或空載的情況下，輸出電壓不可調(diào)，輸入電壓升高使系統(tǒng)的工作頻率將越來越高于諧振頻率，而諧振頻率增加，諧振腔的阻抗也隨之增加，這就是說越來越多的能量在諧振腔內(nèi)循環(huán)而不傳遞到副邊輸出；但在負載串聯(lián)諧振中，流過功率器件的電流隨著負載變輕而減小，使通態(tài)損耗減小。并聯(lián)諧振的輸出端可以開路但不能短路，會損壞諧振電容，并且過大的原邊回路電流對開關(guān)器件及電源都會產(chǎn)生沖擊；輕載時，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)輕載時輸入電流變化不大，開關(guān)管的通態(tài)損耗相對固定，在輕載時的效率比較低，

22、較為適合工作于額定功率處負載相對恒定的場合。串并聯(lián)諧振電路的輸出電壓可高于或低于電源電壓，且負載變化范圍寬，是目前研究領(lǐng)域中較主流的結(jié)構(gòu)。為了解決傳統(tǒng)諧振變換器的局限性，提出了 LLC 諧振變換器；因為它優(yōu)于常規(guī)串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器，在負載和輸入變化較大時,頻率變化仍很小，且全負載范圍內(nèi)切換可實現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換(ZVS)。另外全球?qū)档湍芎牡男枨笳诖龠M節(jié)能技術(shù)的推廣。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)電源拓撲，所以其運用越來越廣泛。本論文致力于研究如何設(shè)計 90W 適配器，使其有效提高效率，增加功率密度，降

23、低開關(guān)噪聲，改善電子兼容性。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 2 1.2 課題研究內(nèi)容與任務(wù)課題研究內(nèi)容與任務(wù)1.2.1 課題研究內(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)計要素；提出 LLC 半橋諧振電路優(yōu)化方案，并通過試驗論證方案；在進行 90W 電腦適配器的實際項目中，對整個系統(tǒng)進行設(shè)計，系統(tǒng)由兩級構(gòu)成，第一級為基于 L6563 芯片的 PFC 電路，第二級為基于 L6599 芯片的 LLC 半橋諧振電路；90W 電腦適配器整機性能測試，并且比較分析與市場

24、上同類產(chǎn)品應(yīng)用不同拓撲電路結(jié)構(gòu)式的性能；1.2.2 課題研究任務(wù)通過反復(fù)驗證總結(jié)優(yōu)化方案，為項目提供理論基礎(chǔ)及實踐論證；本人通過參與 90W電腦適配器項目的設(shè)計與測試，做到掌握 LLC 半橋諧振電路的工作原理和優(yōu)化設(shè)計，并參與測試 90W 適配器的整機性能，協(xié)助測試和分析在市場上同類適配器應(yīng)用不同電路拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能?？偨Y(jié)并完善 LLC 半橋諧振電路的應(yīng)用1.3 論文的組織結(jié)構(gòu)及其章節(jié)安排論文的組織結(jié)構(gòu)及其章節(jié)安排論文首先論述了現(xiàn)有諧振電路優(yōu)缺點及在該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀；然后針對 LLC 諧振電路進行了研究和分析對比，提出運用能夠滿足目前市場對開關(guān)電源的高效率、低 D電磁干擾、少元器件和高性價比

25、的要求。并且針對 LLC 半橋諧振電路，詳細分析了該電路的工作原理。接著通過簡化電路、建立模型研究掌握該電路的工作特性和設(shè)計要點。具體研究了 LLC 諧振電路的優(yōu)化方案，并從 4 個不同方面提出具體改進措施。而上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 3 后具體設(shè)計了針對 90W 電腦適配器應(yīng)用的系統(tǒng)方案，包括前級 PFC 電路，后級 LLC 半橋諧振電路，最后對測試結(jié)果進行分析和對比，并驗證理論分析在實驗中的結(jié)果。本文各章節(jié)安排內(nèi)容如下：第二章第二章 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時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

26、作過程，說明 LLC 諧振變換器是一種具有布線簡單、成本低、性能穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點。第三章第三章 LLC半橋諧振電路簡化建模本章通過對 LLC 半橋諧振電路的簡化，用角頻率、輸出阻抗、激磁電感表達其傳遞函數(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)和負載獨立工作點。并且使電路工作在負載獨立工作點附近有利于 LLC 諧振電路設(shè)計優(yōu)化。第四章第四章 模塊的硬件設(shè)計本章闡述 LLC 諧振電路可以從四個方面著手優(yōu)化電路。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。第二是變壓器和諧振電感的優(yōu)化設(shè)計，可以得出， 值需合理設(shè)計

27、，過大或過小均會影響電路增益和工作頻率范圍，其值需在實驗中微調(diào)。第三是確定 MOSFET 零電壓開通條件，滿足這一要求的 MOSFET 可以遵循本章所得公式 4-14 選擇。最后是要選擇具有初級測電流監(jiān)測功能的 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入容性區(qū)域，提高效率。第五章第五章 90W電腦適配器系統(tǒng)設(shè)計本章根據(jù)整個 90W 電腦適配器的要求進行了系統(tǒng)設(shè)計，其前級是基于 L6563 的 PFC電路，包括磁性器件和主要功率期間的設(shè)計和選擇；后級是基于 L6599 的 LLC 半橋諧振電路，包括主變壓器和開關(guān)管的設(shè)計和選擇，給出了各部分性能和參數(shù)，但目前對LLC 諧

28、振電路補償回路的設(shè)計最有效的方法依然是通過實驗來完成。下一章將對本實驗板，驗證理論分析和設(shè)計的正確性。第六章第六章 90W電腦適配器整機測試 本章對 90W 電腦適配器實驗板進行整機測試，包括基本性能測試，并對比其他電路拓撲且同等功率等級適配器（單級適配器、準(zhǔn)諧振反激適配器）性能，應(yīng)用 LLC 半橋諧振電路的 90 電腦適配器在效率、短路保護、功率因數(shù)、電流諧波方面都優(yōu)于其它兩種適配器；本章還較大篇幅的分析了此實驗板的損耗計算和分布，DC-DC 部分次級側(cè)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章引言 4 損耗較大，此項工作有利于今后進一步優(yōu)化效率提供理論依據(jù)。第七章第七章 實驗中遇到的問題及解決方

29、案 在實驗中，當(dāng) LLC 半橋諧振電路開機時，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；通過實驗驗證，由于開機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。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 第二章第二章 LLC 半橋諧振電路原理半橋諧振電路原理2.1 LLC 半橋諧振電路半橋諧振電路2.1.1 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，它們因未能實現(xiàn)零電壓開通而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。但是

30、，它們都不適合應(yīng)用于開關(guān)頻率高和效率高的場合。首先是串聯(lián)諧振，為了確保輕載時輸出電壓的穩(wěn)定，串聯(lián)諧振的開關(guān)頻率往往需要上升到很高，而這種問題在并聯(lián)諧振和串并聯(lián)諧振中并不存在，但是并聯(lián)諧振的關(guān)斷電流比串聯(lián)諧振大很多，這是并聯(lián)諧振的最大問題；其二，在上面提到的所有這三個諧振電路中都有一個共同的缺點，那就是回送至輸入端的能量都會隨著輸入電壓的增加而增加。最后，這三種諧振電路的工作頻率都會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。通過簡單總結(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，可以看出這三種諧振電路在實現(xiàn)軟揩干的同時都必須犧牲其它方面的性能，因此都不是理想的軟開關(guān)

31、電路。盡管這三種諧振電路都有各自的缺點，但是通過它們?nèi)钥梢缘贸隹偨Y(jié)：第一，諧振電路都有兩個諧振頻率，通常工作在較高的那個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通，諧振電路工作需工作在直流特性的下降段。事實上，LLC 半橋諧振電路克服了串聯(lián)諧振電路輕載輸出調(diào)整差的缺點，即使在沒有任何負載的情況下也可實現(xiàn)軟開關(guān)，這對 DC/DC 電路的效率提高做出很大貢獻。接下來的文章中會具體討論 MOSFET 在 LLC 拓撲中的性能和可靠性，同時詳細介紹 LLC 諧振電路原理和技巧。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 2.1.2 基本電路LLC 半橋諧振電路中，

32、根據(jù)這個諧振電容的不同聯(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。不同之處在于 LLC 諧振腔的連接，左圖采用單諧振電容（Cr） ，其輸入電流紋波和電流有效值較高，但布線簡單，成本相對較低；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 上分別只流過一半的有效值電流，且電容量僅為左圖單諧振電容的一半。 圖 2-1 典型電路Fig.2-1 Tipical Circuit2.2 LLC 半橋諧振電路基本原理半橋諧振電路基本原理LLC 諧振變換的直流特性分為零電壓工作區(qū)和零電流工作區(qū)。這種變換有兩個諧振頻率。一個是 Lr 和 Cr 的諧振

33、點，另外一個諧振點由 Lm, Cr 以及負載條件決定。負載加重，諧振頻率將會升高。這兩個諧振點的計算公式如下：rrr1CL21f 公式 2-1rrmr2)CL(L21f考慮到盡可能提高效率，設(shè)計電路時需把工作頻率設(shè)定在 fr1 附近。其中，fr1為 Cr,Lr 串聯(lián)諧振腔的諧振頻率。當(dāng)輸入電壓下降時，可以通過降低工作頻率獲得較大的增益。通過選擇合適的諧振參數(shù)，可以讓 LLC 諧振變換無論是負載變化或是輸入電壓變化都能工作在零電壓工作區(qū)。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 總體來說 LLC 半橋諧振電路的開關(guān)動作和半橋電路無異，但是由于諧振腔的加入，LLC 半橋諧

34、振電路中的上下 MOSFET 工作情況大不一樣，它能實現(xiàn) MOSFET 零電壓開通。其工作波形圖如下：圖 2-2 工作波形示意圖Fig.2-2 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 Q1、Q2 的驅(qū)動波形，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 分別是次級側(cè)輸出整流二級管波形，Ids1 則為 Q1 導(dǎo)通電流。波形圖根據(jù)不同工作狀態(tài)被分成 6 個階段，下面具體分析各個狀態(tài)，LLC 諧振電路工作情況：T0T0 T1:T1: Q1 關(guān)斷、Q2 開通；這個時候諧振電感上的電流為負

35、，方向流向 Q2。在此階段，變壓器漏感不參加諧振， Cr、Lr 組成了諧振頻率，輸出能量來自于Cr 和 Lr。這個階段隨著 Q2 關(guān)斷而結(jié)束。下圖 3 為 LLC 半橋諧振電路在 T0 T1工作階段各個元器件工作狀態(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 8 圖 2-3 T0T1 工作階段Fig.2-3 Operation at T0T1T1T1 T2:T2:Q1 關(guān)斷、Q2 關(guān)斷；此時為半橋電路死區(qū)時間，諧振電感上的電流仍為負，諧振電流對 Q1 的輸出電容（Coss）進行放電，并且對 Q2 的輸出電容（Coss）進行充電，直到 Q2 的輸出電容的電壓等于輸入電壓（V

36、in），為 Q1 下次導(dǎo)統(tǒng)創(chuàng)造零電壓開通的條件。由于 Q1 體二級管此是出于正向偏置，而 Q2 的體二級管示反相偏置，兩個電感上的電流相等。輸出電壓比變壓器二次側(cè)電壓高，D1、D2 處于反偏狀態(tài)，所以輸出端與變壓器脫離。此階段,Lm 和 Lr、Cr 一同參加諧振。隨著 Q1 開通，T1 T2 階段結(jié)束。下圖 4 為 LLC 半橋諧振電路在T1 T2 工作階段各個元器件工作狀態(tài)。圖 2-4 T1T2 工作階段Fig.2-4 Operation at T1T2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 T2T2 T3:T3: Q1 開通、Q2 關(guān)斷（一旦 Q1 的輸出電容被

37、放電放到零時）。此時諧振電感上的電流仍舊為負，電流經(jīng) Q1 的體二級管流回輸入端（Vin）。同時，輸出整流二級管(D1)導(dǎo)通，為輸出端提供能量。變壓器漏感（Lm）在此階段被持續(xù)充電。只有 Lr 和 Cr 參與諧振。一旦諧振電感 Lr 上的電流為零時，T2 T3 階段結(jié)束。下圖 5 為 LLC 半橋諧振電路在 T2 T3 工作階段各個元器件工作狀態(tài)。圖 2-5 T2T3 工作階段Fig.2-5 Operation at T2T3T3T3 T4:T4:此階段始于諧振電感 Lr 電流變負為正，Q1 開通、Q2 關(guān)斷，和 T2 T3階段一樣。諧振電感電流開始從輸入端經(jīng) Q1 流向地。變壓器漏感 Lm

38、此時被此電流充電，因此參加諧振的器件只有 Lr 和 Cr。輸出端仍由 D1 來傳輸能量。隨著 Q1 關(guān)斷，T3 T4 階段結(jié)束。下圖 2-6 為 LLC 半橋諧振電路在 T3 T4 工作階段各個元器件工作狀態(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 10 圖 2-6 T3T4 工作階段Fig.2-3 Operation at T3T4T4T4 T5:T5: Q1 關(guān)斷，Q2 關(guān)斷；此時為半橋電路死區(qū)時間。此時，諧振電感電流對Q1 的輸出電容 Coss 進行充電，并對 Q2 的輸出電容 Coss 進行放電直到 Q2 上輸出電容電壓為零，導(dǎo)通 Q2 的體二級管，為 Q2 零

39、電壓開通創(chuàng)造條件。在此期間，變壓器二次側(cè)跟 T1 T2 階段一樣，脫離初級側(cè)。在死去時間，變壓器漏感 Lm參與諧振。此階段隨著 Q2 開通而結(jié)束。下圖 7 為 LLC 半橋諧振電路在 T4 T5工作階段各個元器件工作狀態(tài)。圖 2-6 T4T5 工作階段Fig.2-6 Operation at T4T5T5T5 T6:T6: Q1 關(guān)斷，Q2 導(dǎo)通。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 以零電壓開通。能量由諧振電感 Lr 經(jīng) Q2 續(xù)流，輸出端由D2 提供能量。此時，Lm 不參與 Lr 和 Cr 的諧振。此階段隨著諧振電感 Lr 電流變?yōu)榱愣Y(jié)束

40、，重復(fù) T0 T1 狀態(tài)。下圖 8 為 LLC 半橋諧振電路在 T5 T6 工作階段各個元器件工作狀態(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 11 圖 2-5 T2T3 工作階段Fig.2-5 Operation at T2T3由以上工作狀態(tài)可以看出，除了 Q1、Q2 死區(qū)時間外，絕大多數(shù)時間，電路都可以工作在由 Lr 和 Cr 構(gòu)成的較高的諧振頻率。這種情況下，變壓器漏電感由于被輸出電壓所鉗位，因此，它會作為 Lr,Cr 串聯(lián)諧振腔的負載形式存在，而不參與整個諧振過程。由于這個被動負載，LLC 諧振變換輕載穩(wěn)壓可以不再需要很高頻率。而且，由于這個被動 Lm 負載，可

41、以保證在任何負載情況下都能工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)下。2.3 本章小結(jié)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時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單、成本低、性能穩(wěn)定和可靠性高的優(yōu)點。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 12 第三章第三章 LLC 半橋諧振電路簡化建模半橋諧振電路簡化建模3.1 LLC 半橋諧振電路簡化半橋諧振電路簡化對于 LLC 諧振電路，首先要了解軟開關(guān)。對于普通的拓撲而言，在開關(guān)管開關(guān)時，MOSFET 的 D-S 間的電壓與電流產(chǎn)生交疊，因此產(chǎn)生

42、開關(guān)損耗。為了減小開關(guān)時的交疊，人們提出了零電流開關(guān)（ZCS)和零電壓開關(guān)(ZVS)兩種軟開關(guān)的方法。對于 ZCS：使開關(guān)管的電流在開通時保持在零，在關(guān)斷前使電流降到零。對于 ZVS:使開關(guān)管的電壓在開通前降到零在關(guān)斷時保持為零。最早的軟開關(guān)技術(shù)是采用有損緩沖電路來實現(xiàn)。從能量的角度來看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，從而改善開關(guān)管的工作條件。這種方法對變換器的效率沒有提高，甚至?xí)剐式档?。目前所研究的軟開關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，這種技術(shù)真正減小了開關(guān)損耗，而不是損耗的轉(zhuǎn)移，這就是諧振技術(shù)。而諧振變換器又分為全諧振變換器，準(zhǔn)諧振變換器，零開關(guān) PWM 變換器和零轉(zhuǎn)換 PWM 變換

43、器。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階段，不是全程參與。零開關(guān) PWM 變換器是在準(zhǔn)諧振的基礎(chǔ)上加入一個輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程。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載范圍內(nèi)實現(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 MOSFE

44、T 實現(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 3-1 LLC 半橋諧振電路簡化電路Fig.3-1 Simplified circuit of LLC half bridge resonant circuitLLC 半橋諧振等效電路輸出輸入傳遞函數(shù)如下： 公式 3-1o2mo2mmro2mo2mZnjwLZnjwLjwLjwC1ZnjwLZnjwLVin/2nVo其中：；第一諧振頻率（兩個諧振頻率

45、中頻率較高者）rrr1CL21f ；第二諧振頻率（兩個諧振頻率中頻率較低者）rrmr2)CL(L21f ；諧振電感與變壓器漏感之比，簡稱“電感比”mrLL ；開關(guān)頻率與第一諧振頻率之比，簡稱“頻率比”r1swnfff ；品質(zhì)因數(shù)2out2outoVnPZQ ；輸出特征阻抗rrrrrroCf21Lf2CLZ ；初級側(cè)與次級側(cè)變壓器匝數(shù)比，簡稱“匝數(shù)比”sPNNn 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： 公式 3-2 Vin2nVoQ),M

46、(fn將；代入公式 3-1 并進行簡化，可以得出：r1swnfff mrLL2out2outoVnPZQ 公式 3-3 2nn222nnf1fQf11Q),M(fLLC 半橋諧振電路的直流特性顯示，如果工作在在 fr1 的右端，它的特點與串聯(lián)諧振相同，而工作在 fr1 的左邊，根據(jù)負載情況，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，而隨著負載的減輕越來越接近于并聯(lián)諧振。正是由于這個特點，可以讓系統(tǒng)工作在串聯(lián)諧振頻率點以獲得高的效率。這樣由于在低于串聯(lián)諧振頻率點工作時，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

47、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)負載獨立工作點上海交通大學(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 3-2 LLC 諧振電路增益圖Fig.3-2Conversion ratio of LLC resonant half-bridge 從上圖中可以看出，當(dāng)電路工作在感性區(qū)域時（藍色部分） ，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） ，fnfr2）Fig.4-2Frequency operation range (left) and

48、waveform (right) (when fminfr2) 從波形圖可以看出當(dāng)最低工作頻率（fmin）遠離第二諧振頻率（fr2）時，MOSFETLS VdsLS IdsZVSResonant currentLS Vgsfr1fnmaxfnminfr2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 22 在每個開關(guān)周期都可以實現(xiàn)零電壓開通，這樣大大降低了 MOSFET 的功耗。4.2 Lr/Lm 設(shè)計優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化從公式 3-5 可以看出，Lr、Lm 將決定 LLC 諧振電路無負載時的電壓增益，這是設(shè)計當(dāng)中確保電路能否工作在無負載情況下的關(guān)鍵。再者，電路開關(guān)頻率受 ，即Lr

49、、Lm 的影響；隨著 的增加，無載開關(guān)頻率會提高，電壓增益則會降低，如下圖M4-3 所示：6圖 4-3 LLC 諧振電路中 fn, M, 的關(guān)系Fig.4-3 the relationship among fn, M, in LLC resonant circuit根據(jù)上面的仿真結(jié)果，對于 LLC 可以看出 值越小，電路的激磁電流和增益越高；且 越小，所需穩(wěn)壓的頻率范圍越大。因此，對于 Lr/Lm 的比例不應(yīng)當(dāng)過大或過小，具體取值須經(jīng)實驗進一步調(diào)整。4.3 MOSFET 零電壓開通條件零電壓開通條件要確保 MOSFET 實現(xiàn)零電壓開通，首先要確保使 LLC 半橋諧振電路工作在感性區(qū)域，但這只是

50、必要條件而非充分條件，這是因為 MOSFET 并不是一個理想的模型，MOSFET 在半橋電路中的寄生電容在每個開關(guān)周期中都會消耗額外的能量。為了更好理解 MOSFETM(x,1,0)M(x,1,0.5)M(x,1,1)M(x,1,2)M(x,0.5,0)M(x,0.5,0.5)M(x,0.5,1)M(x,0.5,2)M(x,0.2,0)M(x,0.2,0.5)M(x,0.2,1)M(x,0.2,2)M(x,0.1,0)M(x,0.1,0.5)M(x,0.1,1)M(x,0.1,2)=1=1=0.5=0.5=0.2=0.2=0.1=0.1fnfnfnfnf no loadf no loadf n

51、o loadf no loadMMMM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 23 的零電壓開通，見下圖 4-3 為 MOSFET 在 LLC 半橋諧振電路中零電壓開通的波形圖。圖 4-4 LLC 諧振電路中 MOSFET 零電壓開通波形圖Fig.4-4 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 無載無載ZVSZVS滿載滿載ZVSZVSCH1: 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

52、上管開通下管開通下管開通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 4-4 可以看出，MOSFET 無論在滿載還是無負載時都實現(xiàn)了零電壓開通的理想狀態(tài)，并且電流始終滯后于電壓。可以利用這個特性，使 MOSFET 的輸出電容和寄生電容上的電壓在開通前充分放電來實現(xiàn)零電壓開通，也就是說電路在 MOSFET 死區(qū)時間期間需提供最小的放電電流，這就是 MOSFET ZVS 的基本原理。對于 LLC 半橋諧振電路來說，需要被放電的等效電容為： 公式4-4lparasiticaoss

53、totalC2CC那么對于最小的放電電流需滿足以下要求： 公式 4-5VinC2tsinI2totaldeadr這里，Ir 是有效值諧振電流；Vin 是 LLC 半橋諧振電路輸入電壓，即前級 PFC 輸出電壓 400Vdc；是半橋電路 MOSFET 的死區(qū)時間。此電路的 PWM 半橋諧振控制芯片deadt為 L6599，上下兩管得死區(qū)時間取決于 L6599 的死區(qū)時間（300ns） 。因為輸入電壓 Vin是一個矩形波，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 4-6dcrV2V Vdc 是上下兩管中間聯(lián)結(jié)點的電壓，即下管漏極電壓。由 Vr、Ir 可以得出諧振電

54、路輸入功率： 公式 4-7cosIVPrrin將公式 4-6 代入公式 4-7，有效值諧振電流為： 公式 4-8.cosV2PIdcinr根據(jù)公式 4-5 和公式 4-7，對于半橋諧振電路零電壓開通條件可以轉(zhuǎn)換為： 公式 4-9indead2dcossPtVC2tan由上文圖 9 中 LLC 半橋諧振電路的等效簡化點可以列出諧振腔輸入阻抗的公式: 公式 4-10mload2rrin/sLRnsLsC1(s)Z列出輸入與輸出阻抗之比，并且用“頻率比”來表示： 公式 4-11n2nnnoinnjff1Qfjf(jW)Z(jW)ZZ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

55、25 那么將“阻抗比”的虛數(shù)部分比上實數(shù)部分，就可以得到輸入電壓與電流之間的滯后角度： 公式 4-12nn2nnnnf1fQf1Qf)Re(Z)Im(Ztan對上式 4-12 進行簡化，假設(shè)“頻率比（fn） ”等于“第一諧振頻率（fr1） ” ，那么可以近似為下式：tan 公式 4-13Qtan結(jié)合公式 4-9（LLC 半橋諧振電路中 MOSFET 零電壓開通條件）與公式 4-13（輸入電壓和電流之間理想滯后角度） ，實際應(yīng)用中，滿足 MOSFET 零電壓開通的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)根據(jù) MOSFET 的 Ctotal來決定： 公式 4-142dctotalindeadzvsVCPt2Q從上面的分析中可知

56、，LLC 半橋諧振電路中 MOSFETs 零電壓開通不僅跟電源規(guī)格有關(guān)，例如輸入功率、輸入電壓；而且更大程度上決于 MOSFETs 本身的輸出電容量（Coss）和寄身電容量（Cparasitic） 。上式 4-13 中大概在幾百納秒左右，取決deadt于 PWM 控制芯片；除此之外， 電感比 的恰當(dāng)選擇也可以幫助 MOSFET 實現(xiàn)零電壓開通。因此，可以得到輸出阻抗、諧振電容、諧振電感、變壓器漏感分別為： ； ； 公式 4-o2o2ZVSoPVnQZorrZ2f1Cror2fZLLLrm15 4.4 PWM 控制器選擇優(yōu)化控制器選擇優(yōu)化設(shè)計 LLC 半橋諧振電路時還應(yīng)當(dāng)注意：第一點，對于設(shè)定的

57、第一諧振頻率（fr1）來講，電感比 越高，即諧振電感對變壓器漏感越高則變壓器磁化電流越大，那么在諧振腔內(nèi)所產(chǎn)生的循環(huán)能量也越大。這樣無論對于變壓器的銅損還是電力器件的損耗都是不利的。如果降低 ，那么變壓器銅損自然也隨之減小，但是電路直流增益會受到限制。因此，需要適當(dāng)選擇 來平衡直流電壓增益和變壓器銅損之間的利益。第二點，上文分析了最低工作頻率（fmin）的設(shè)定。最知而來的問題是，fmin 離第二諧振頻率多遠才算安全？首先，如果電路中沒有對初級側(cè)電流進行檢測的話，雖然理論上，當(dāng)頻率比（fn）為 1 時即可以將最低工作頻率設(shè)定在非容性區(qū)域；但是事實上可能會造成電路在輕載時頻率會跑得很高。其次，僅僅

58、限制 fmin 對于保證 MOSFET 零電壓開上海交通大學(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 26 通是不夠的，因為一旦負載加重會使電路在直流電壓增益上的工作點沿垂直線（fsw=fmin）往更高的 Q 值方向移動，最終會越過容性與感性區(qū)域分界線，進入容性工作區(qū)域，并以此作為最低工作頻率。因此，需要采用有電流采樣功能的 PWM 控制芯片，如下圖 4-5 所示：圖 4-5 帶初級測電流監(jiān)測功能的 LLC 半橋諧振 PWM 控制芯片F(xiàn)ig.4-5 LLC resonant PWM controller with primary current dection 帶初級側(cè)電流監(jiān)測功

59、能的 PWM 控制芯片可以有效防止電路進入容性區(qū)域，上圖中所示的芯片對初級側(cè)電流有兩種保護，如下圖 16 所示，芯片內(nèi)部有兩個比較器：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 27 圖 4-6 L6599 內(nèi)部原理框圖Fig.4-6 Block diagram of L6599 internal circuit 如果 ISEN 腳上的電壓超過了 0.8V，第一個比較器被觸發(fā)，L6599 隨即開通芯片內(nèi)部電路，使 1 腳上的軟啟動電容（Css）放電，這樣電路的震蕩頻率會迅速升高，避免了電路工作在容性區(qū)域。一旦 ISEN 腳上的電壓道達 1.5V 時，第二個比較器被觸發(fā)，

60、隨機關(guān)閉這個 PWM 控制器并鎖定此狀態(tài)，直到 VCC 腳上的電壓重新觸到欠壓保護閥值（UVLO）芯片才重新開始軟啟動過程。第三點，從 PWM 控制器方面著手限制最低頻率只是一個保護措施，最終這個最低工作頻率如何量化是設(shè)計電路的重點。電路工作在最低諧振頻率時的品質(zhì)因數(shù)最高，只要設(shè)定電路允許工作的最低頻率高于最大直流增益頻率就可以解決這一問題，當(dāng)然這個最大直流電壓增益即電路允許最大功率的最大輸出輸入電壓比，定義如下： 公式 4-162r1minMmax11111ff式中 Mmax 可以由上文公式 4-3 所得，電感比 和第一諧振頻率 fr1 可分別從公式 2-1 中可得。從上面的分析可以得出結(jié)論