【毕业学位论文】（Word原稿）LLC半桥谐振电路的设计与应用

申请上海交通大学工程硕士专业学位论文 桥谐振电路的设计与应用 2011 年 1月 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 论文 的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“ ”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 I 摘 要 现代开关电源要求具有较高的功率密度和平滑的电磁干扰（ 号，并且所需要的电子 元器件数量少、效率高。虽然在这方面可选的 是 对比常规谐振器， 先，它可以在 输入和 负载 大范围 变化的情况下调节输出，同时开关频率变化相对很小。第二，它可以在整个运行范围内，实现零电压切换（ 最后，所有寄生元件，包括所有半导体器件的结电容和变压器的漏磁电感和激磁电感，都是用来实现 本文 首先对各种谐振变换器的优缺点进行了比较，总结出 以 90为设计目标，对整个系统进行测试，验证理论提出的优化方案。 90级使用 文章第一部分总结了不同谐振变换器的优缺点， 介绍了 振变换器的 原理，并对 二部分阐述了对 过分析 结 实际设计要素。 第三部分提出实际优化方案，其中 包括设计 主 变压器 设计 和 关键 元器件 的选择，并从实验结果中验证。最后，通过对 90W 电脑适配器项目的 设计 ，包 括桥谐振电路部分， 逐步说明 设计 流 程 和解决方案。 测试部分不仅针对应用 0时协助测试 分析市场上其他拓扑结构的同等功率等级电脑适配器 。 通过比较， 90在待机功耗等其他方面表现优良。 关键词： 半桥谐振电路 , 软开关上海交通大学工程硕士学位论文 MI in of As of is to in to is to VS LC to of In LC 0W in by 0W FC 6563, LC 6599. of is to of by in In of LC 海交通大学工程硕士学位论文 in of of to be in In of by on 90W is by FC LC in is to of is 0W 0W By 90W LC on it 海交通大学工程硕士学位论文 符号说明 符号说明 略语 文全名 文解释 率因数校正器 电压开通 联谐振电路 联谐振电路 并 联谐振电路 注： 在 此 缩略语 按字母顺序排列，并非按文中出现顺序排列 。 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 V 目 录 摘 要 . I . 号说明 . 一章引言 . 1 题研究背景与意义 . 1 题研究内容与任务 . 2 题研究内容 . 2 题研究任务 . 2 文的组织 结构及其章节安排 . 2 第二章 桥谐振电路原理 . 5 桥谐振电路 . 5 同谐振电路的比较 . 5 本电路 . 5 桥谐振电路基本原理 . 6 章小结 . 11 第三章 桥谐振电路简化建模 . 12 桥谐振电路简化 . 12 章小结 . 16 第四章 桥谐振电路优化方案 . 18 率设置优化 . 18 R/计优化 . 21 电压开通条件 . 22 制器选择优化 . 25 章小结 . 27 第五章 90W 电脑适配器系统设计 . 28 分设计 基于 制芯片 . 28 率因数矫正的基本概念 . 28 0W 电脑适配器 分设计 . 30 分设计 基于半桥 制芯片 . 33 章小结 . 37 第六章 90W 电脑适配器整机测试 . 38 机测试 . 38 试分析 . 43 率比较 . 43 机功耗比较 . 44 路保护比较 . 45 率因数比较 . 45 流谐波比较 . 46 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 耗分析 . 48 路部分 . 48 路部分 . 48 章小结 . 50 第七章 实验中遇到的问题及解决方案 . 51 验中遇到的问题 . 51 决方案 . 52 章小结 . 54 第八章 总结与展望 . 55 文工作回顾 . 55 文成果与意义 . 55 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 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 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 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 ( 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 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90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 题研究内容与任务 题研究内容 本论文的主要研究的内容如下： 分析 采用数学建模方式，建立 后利用该模型分析和总结设计要素； 提出 并通过试验论证方案； 在进行 90整个系统进行设计，系统由两级构成，第一级为基于 二级为基于 90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； 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 90到掌握 桥谐振电路的工作原理和优化设计，并参与测试 90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 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 出运用能够满足目前市场对开关电源的高效率、低 元器件和高性价比的要求。并且针对 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 从 4个不同方面提出具体改进措施。而后具体设计了针对 90用的系统方案，包括前级 级 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 本章比较了不同谐振电路，分析了 桥谐振电路在各个时间的工作特性和状态，阐述了 明 本低、性能稳定和可靠性高的优点 。 第三章 本章通过对 角频率、输出阻抗、激磁电感表达其传递函数。同时借助 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 振电路设计优化。 第四章 模块的硬件设计 本章阐述 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， 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 电压开通条件，满足这一要求的 公式 4最后是要选择具有 初级测电流监测功能的 种芯片可以有效防止电路进入容性区域 ，提高效率。 第五章 90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 括磁性器件和主要功率期间的设计和选择；后级是基于 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 一章将对本实验板，验证理论分析和设计的正确性 。 第六章 90本 章对 90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 0 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， 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 桥谐振电路开机时， 发现 上下 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 少硬开关的风险 。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 桥谐振电路原理 5 第二章 桥谐振电路原理 桥谐振电路 同谐振电路的比较 在目前的谐振电路中，串联谐振（ 并联谐振（ 串并联谐振（ 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， 使在没有任何负载的情况下也可实现软开关，这对 下来的文章中会具体讨论 时详细介绍 本电路 据这个谐振电容的不同联结方式，典型 振电 路有两种连接方式，如下图 1所示。不同之处在于 图采用单谐振电容（ 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 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（ 其输入电流纹波和电流有效值较低， 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 2型电路 桥谐振电路基本原理 种变换有两个谐振频率。一个 是 谐振点，另外一个谐振点由 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： 21f公式 2虑到尽可能提高效率，设计电路时需把工作频率设定在 中， 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 振变换无论是负载变化或是输入电压变化都能工作在零电压工作区。 总体来说 是由于谐振腔的加入，能实现 电压开通。其工作波形图如下： 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 桥谐振电路原理 7 图 2作波形示意图 图为理想半桥谐振电路工作波形图；图中， 别是 驱动波形， 谐振电感 感电流波形， 变压器漏感 流波形， 别是次级侧输出整流二级管波形， 1 导通电流。波形图根据不同工作状态被分成 6个阶段，下面具体分析各个状态， 个时候谐振电感上的电流为负，方向流向 此阶段，变压器漏感不参加谐振， 出能量来自于 r。这个阶段随着 图 3为 0 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 桥谐振电路原理 8 图 200 1关断、 时为半桥电路死区时间，谐振电感上的电流仍为负，谐振电流对 输出电容（ 行放电，并且对 行充电，直到 为 次导统创造零电压开通的条件。由于 个电感上的电流相等。输出电压比变压器二次侧电压高， 以输出端与变压器脱离。此阶段 ,r、 着 图 4 为 1 作阶段各个元器件工作状态。 图 211 旦 此时谐振电感上的电流仍旧为负，电流经 同时，输出整流二级管 (通，为输出端提供能量。变压器漏感（ 此阶段被持续充电。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 桥谐振电路原理 9 只有 旦谐振电感 段结束 。下图 5为 2 图 222 阶段始于谐振电感 振电感电流开始从输入端经 压器漏感 此参加谐振的器件只有 出端仍由 着段结束。下图 23 作阶段各个 元器件工作状态。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 桥谐振电路原理 10 图 233 时为半桥电路死区时间。此时，谐振电感电流对对 输出电容 2上输出电容电压为零，导通 此期间，变压器二次侧跟 离初级侧。在死去时间，变压器漏感 阶段随着 图 7为 4 图 244 于 段中 此 2以零电压开通。能量由谐振电感 2续流，输出端由时， 参与 r 的谐振。此阶段随着谐振电感 复 图 8 为 5 作阶段各个元器