LLC半桥谐振电路的设计与应用硕士论文.doc

申请上海交通大学工程硕士专业学位论文 LLCLLC 半桥谐振电路的设计与应用半桥谐振电路的设计与应用 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本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 法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书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 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 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 Design and Application of LLC Half bridge Resonant circuit Author Dong Yan Specialty Semiconductor Science Advisor Prof Dai Qingyuan Advisor School of Electronics and Electric Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai P R China Jan 2011 致 谢 时间飞逝 大学的学习生活很快就要过去 在这四年的学习生活中 收获了很多 而这些成 绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的 首先非常感谢学校开设这个课题 为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验 奠定了基 础 本次毕业设计大概持续了半年 现在终于到结尾了 本次毕业设计是对我大学四年学习下来最 好的检验 经过这次毕业设计 我的能力有了很大的提高 比如操作能力 分析问题的能力 合作 精神 严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步 这期间凝聚了很多人的心血 在此我表示由衷 的感谢 没有他们的帮助 我将无法顺利完成这次设计 首先 我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导 在我的论文书写及设计过程中给 了我大量的帮助和指导 为我理清了设计思路和操作方法 并对我所做的课题提出了有效的改进方 案 郭谦功老师渊博的知识 严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象 从他身上 我 学到了许多能受益终生的东西 再次对周巍老师表示衷心的感谢 其次 我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求 感谢他们 对我学习上和生活上的帮助 使我了解了许多专业知识和为人的道理 能够在今后的生活道路上有 继续奋斗的力量 另外 我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持 与他们一起学习 生活 让我在大学期间生活的很充实 给我留下了很多难忘的回忆 最后 我要感谢我的父母对我的关系和理解 如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和 默默支持 我将无法顺利完成今天的学业 致 谢 四年的大学生活就快走入尾声 我们的校园生活就要划上句号 心中是无尽的难舍与眷恋 从这里走出 对我的人生来说 将是踏上一个新的征程 要把所学的知识应用到实际工作中去 回首四年 取得了些许成绩 生活中有快乐也有艰辛 感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲 对我成长的关心和爱护 学友情深 情同兄妹 四年的风风雨雨 我们一同走过 充满着关爱 给我留下了值得珍藏 的最美好的记忆 在我的十几年求学历程里 离不开父母的鼓励和支持 是他们辛勤的劳作 无私的付出 为 我创造良好的学习条件 我才能顺利完成完成学业 感激他们一直以来对我的抚养与培育 最后 我要特别感谢我的导师刘望蜀老师 和研究生助教吴子仪老师 是他们在我毕业的最 后关头给了我们巨大的帮助与鼓励 给了我很多解决问题的思路 在此表示衷心的感激 老师们认 真负责的工作态度 严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅 他无论在理论上还是在实 践中 都给与我很大的帮助 使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助 感谢他耐心的辅导 在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助 帮助解决了不少的难点 使得 论文能够及时完成 这里一并表示真诚的感谢 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明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 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书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 保密保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密不保密 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 LLCLLC 半桥谐振电路的设计与应用半桥谐振电路的设计与应用 摘摘 要要 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 EMI 信号 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 DC DC 拓扑众多 但是 LLC 半 桥谐振电路凭借其软开关的特点在满足以上要求拥有独特的优势 对比常规谐振器 LLC 型谐振变换器具有许多优点 首先 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 ZVS 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 ZVS 的 本文首先对各种谐振变换器的优缺点进行了比较 总结出 LLC 谐振变换器的主要 优点 并以 90W 电脑适配器项目为设计目标 对整个系统进行测试 验证理论提出的 优化方案 90W 电脑适配器 LLC 前级使用 PFC 电路 后级使用 LLC 半桥谐振电路 文章第一部分总结了不同谐振变换器的优缺点 介绍了 LLC 型谐振变换器的原理 并对 LLC 半桥谐振电路在各个时间周期的工作特性和原理进行逐一阐述和分析 第二 部分阐述了对 LLC 半桥谐振电路进行简化和建模 通过分析 LLC 谐振电路频域直流特 性 总结实际设计要素 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 PFC 电路设计部分和 LLC 半桥谐振电路部分 逐步说明设计流程和解决方案 测 试部分不仅针对应用 LLC 半桥谐振的 90W 电脑适配器 同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 90W 半桥谐振适配器在效率方面有着 明显的优势 并在待机功耗等其他方面表现优良 关键词 关键词 LLC 半桥谐振电路 MOSFET 软开关 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT II Design and Application of LLC Half bridge Resonant Circuit ABSTRACT Modern 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 Switching 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 Secondly 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 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 bridge 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 bridge 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 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT III raised in the third part of this article including design key points of main transformer 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 relative 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 obvious advantage on efficiency For other factors it also performs very well KEY WORDS LLC Half bridge resonant circuit MOSFET ZVS 上海交通大学工程硕士学位论文 符号说明 IV 符号说明 Abbreviations 缩略语缩略语 Full spelling 英文全名英文全名 Chinese explanation 中文解释中文解释 PFCPower Factor Corrector功率因数校正器 ZVSZero Voltage Switching零电压开通 SRCSeires Resonant Circuit串联谐振电路 PRC Parallel Resonant Circuit并联谐振电路 SPRCSeires Parallel Resonant Circuit串并联谐振电路 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 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 符号说明符号说明 IV 第一章引言第一章引言 7 1 1 课题研究背景与意义 7 1 2 课题研究内容与任务 8 1 2 1 课题研究内容 8 1 2 2 课题研究任务 8 1 3 论文的组织结构及其章节安排 8 第二章第二章 LLC 半桥谐振电路原理半桥谐振电路原理 2 2 1 LLC 半桥谐振电路 2 2 1 1 不同谐振电路的比较 2 2 1 2 基本电路 2 2 2 LLC 半桥谐振电路基本原理 3 2 3 本章小结 7 第三章第三章 LLC 半桥谐振电路简化建模半桥谐振电路简化建模 8 3 1 LLC 半桥谐振电路简化 8 3 2 本章小结 12 第四章第四章 LLC 半桥谐振电路优化方案半桥谐振电路优化方案 13 4 1 频率设置优化 13 4 2 LR LM设计优化 16 4 3 MOSFET 零电压开通条件 17 4 4 PWM 控制器选择优化 19 4 5 本章小结 21 第五章第五章 90W 电脑适配器系统设计电脑适配器系统设计 22 5 1 PFC 部分设计 基于 PFC 控制芯片 L6563 22 5 1 1 功率因数矫正的基本概念 22 5 1 2 90W 电脑适配器 PFC 部分设计 24 5 2 DC DC 部分设计 基于半桥 LLC 控制芯片 L6599 27 5 3 本章小结 31 第六章第六章 90W 电脑适配器整机测试电脑适配器整机测试 32 6 1 整机测试 32 6 2 测试分析 37 6 2 1 效率比较 37 6 2 2 待机功耗比较 38 6 2 3 短路保护比较 39 6 2 4 功率因数比较 39 6 2 5 电流谐波比较 40 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 VI 6 3 损耗分析 42 6 3 1 PFC 电路部分 42 6 3 2 DC DC 电路部分 42 6 4 本章小结 44 第七章第七章 实验中遇到的问题及解决方案实验中遇到的问题及解决方案 45 7 1 实验中遇到的问题 45 7 2 解决方案 46 7 3 本章小结 48 第八章第八章 总结与展望总结与展望 49 8 1 论文工作回顾 49 8 2 论文成果与意义 49 8 3 存在的问题及进一步工作 50 参参 考考 文文 献献 52 附录附录 1 90W 电脑适配器元器件表电脑适配器元器件表 53 致致 谢谢 56 作者攻读学位期间发表的论文作者攻读学位期间发表的论文 57 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 第一章引言第一章引言 1 1 课题研究背景与意义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 1 2 课题研究内容与任务课题研究内容与任务 1 2 1 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 1 2 2 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 1 3 论文的组织结构及其章节安排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 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 3 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 本文各章节安排内容如下 第二章第二章 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 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 4 14 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 DC DC 部分次级侧 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章引言 4 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 第二章第二章 LLC 半桥谐振电路原理半桥谐振电路原理 2 1 LLC 半桥谐振电路半桥谐振电路 2 1 1 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 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 2 1 2 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 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 2 1 典型电路 Fig 2 1 Tipical Circuit 2 2 LLC 半桥谐振电路基本原理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 rr r1 CL2 1 f 公式 2 1 rrm r2 CL L2 1 f 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入 电压变化都能工作在零电压工作区 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 7 总体来说 LLC 半桥谐振电路的开关动作和半桥电路无异 但是由于谐振腔的加入 LLC 半桥谐振电路中的上下 MOSFET 工作情况大不一样 它能实现 MOSFET 零电压开通 其工作波形图如下 图 2 2 工作波形示意图 Fig 2 2 Operation Waveform 上图为理想半桥谐振电路工作波形图 图中 Vgs1 和 Vgs2 分别是 Q1 Q2 的驱动 波形 Ir 为谐振电感 Lr 电感电流波形 Im 为变压器漏感 Lm 电流波形 Id1 和 Id2 分 别是次级侧输出整流二级管波形 Ids1 则为 Q1 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 LLC 谐振电路工作情况 T0 T0 T1 T1 Q1 关断 Q2 开通 这个时候谐振电感上的电流为负 方向流向 Q2 在 此阶段 变压器漏感不参加谐振 Cr Lr 组成了谐振频率 输出能量来自于 Cr 和 Lr 这个阶段随着 Q2 关断而结束 下图 3 为 LLC 半桥谐振电路在 T0 T1 工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 LLC 半桥谐振电路原理 8 图 2 3 T0 T1 工作阶段 Fig 2 3 Operation at T0 T1 T1 T1 T2 T2 Q1 关断 Q2 关断 此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 Q1 的输出电容 Coss 进行放电 并且对 Q2 的输出电容 Coss 进行充电 直到 Q2 的输出电容的电压等于输入电压 Vin 为 Q1 下 次导统创造零电压开通的条件 由于 Q1 体二级管此是出于正向偏置 而 Q2 的 体二级管示反相偏置 两个电感上的电流相等 输出电压比变压器二次侧电压 高 D1 D2 处于反偏状态 所以输出端与变压器脱离 此阶段 Lm 和 Lr Cr 一 同参加谐振 随着 Q1 开通 T1 T2 阶段结束 下图 4 为 LLC 半桥谐振电路在 T1 T2 工作阶段各个元器件工作状态 图 2 4 T1 T2 工作阶段 Fig 2 4 Operation at T1 T2 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 9 T2 T2 T3 T3 Q1 开通 Q2 关断 一旦 Q1 的输出电容被放电放到零时 此时谐振 电感上的电流仍旧为负 电流经 Q1 的体二级管流回输入端 Vin 同时 输 出整流二级管 D1 导通 为输出端提供能量 变压器漏感 Lm 在此阶段被持 续充电 只有 Lr 和 Cr 参与谐振 一旦谐振电感 Lr 上的电流为零时 T2 T3 阶 段结束 下图 5 为 LLC 半桥谐振电路在 T2 T3 工作阶段各个元器件工作状态 图 2 5 T2 T3 工作阶段 Fig 2 5 Operation at T2 T3 T3 T3 T4 T4 此阶段始于谐振电感 Lr 电流变负为正 Q1 开通 Q2 关断 和 T2 T3 阶段一样 谐振电感电流开始从输入端经 Q1 流向地 变压器漏感 Lm 此时被此 电流充电 因此参加谐振的器件只有 Lr 和 Cr 输出端仍由 D1 来传输能量 随 着 Q1 关断 T3 T4 阶段结束 下图 2 6 为 LLC 半桥谐振电路在 T3 T4 工作阶 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 LLC 半桥谐振电路原理 10 图 2 6 T3 T4 工作阶段 Fig 2 3 Operation at T3 T4 T4 T4 T5 T5 Q1 关断 Q2 关断 此时为半桥电路死区时间 此时 谐振电感电流对 Q1 的输出电容 Coss 进行充电 并对 Q2 的输出电容 Coss 进行放电直到 Q2 上输 出电容电压为零 导通 Q2 的体二级管 为 Q2 零电压开通创造条件 在此期间 变压器二次侧跟 T1 T2 阶段一样 脱离初级侧 在死去时间 变压器漏感 Lm 参与谐振 此阶段随着 Q2 开通而结束 下图 7 为 LLC 半桥谐振电路在 T4 T5 工作阶段各个元器件工作状态 图 2 6 T4 T5 工作阶段 Fig 2 6 Operation at T4 T5 T5 T5 T6 T6 Q1 关断 Q2 导通 由于 T4 T5 阶段中 Q2 的输出电容已经被放电至零 因此 T5 T6 阶段 Q2 以零电压开通 能量由谐振电感 Lr 经 Q2 续流 输出端由 D2 提供能量 此时 Lm 不参与 Lr 和 Cr 的谐振 此阶段随着谐振电感 Lr 电流 变为零而结束 重复 T0 T1 状态 下图 8 为 LLC 半桥谐振电路在 T5 T6 工作 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 LLC 半桥谐振电路原理 11 图 2 5 T2 T3 工作阶段 Fig 2 5 Operation at T2 T3 由以上工作状态可以看出 除了 Q1 Q2 死区时间外 绝大多数时间 电路都可以 工作在由 Lr 和 Cr 构成的较高的谐振频率 这种情况下 变压器漏电感由于被输出电 压所钳位 因此 它会作为 Lr Cr 串联谐振腔的负载形式存在 而不参与整个谐振过 程 由于这个被动负载 LLC 谐振变换轻载稳压可以不再需要很高频率 而且 由于这 个被动 Lm 负载 可以保证在任何负载情况下都能工作在零电压开关状态下 2 3 本章小结本章小结 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 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 LLC 半桥谐振电路简化建模 12 第三章第三章 LLC 半桥谐振电路简化建模半桥谐振电路简化建模 3 1 LLC 半桥谐振电路简化半桥谐振电路简化 对于 LLC 谐振电路 首先要了解软开关 对于普通的拓扑而言 在开关管开关时 MOSFET 的 D S 间的电压与电流产生交叠 因此产生开关损耗 为了减小开关时的交叠 人们提出了零电流开关 ZCS 和零电压开关 ZVS 两种软开关的方法 对于 ZCS 使开 关管的电流在开通时保持在零 在关断前使电流降到零 对于 ZVS 使开关管的电压在 开通前降到零在关断时保持为零 最早的软开关技术是采用有损缓冲电路来实现 从 能量的角度来看 它是将开关损耗转移到缓冲电路中消耗掉 从而改善开关管的工作 条件 这种方法对变换器的效率没有提高 甚至会使效率降低 目前所研究的软开关 技术不再采用有损缓冲电路 这种技术真正减小了开关损耗 而不是损耗的转移 这 就是谐振技术 而谐振变换器又分为全谐振变换器 准谐振变换器 零开关 PWM 变换 器和零转换 PWM 变换器 全谐振变换器的谐振元件一直谐振工作 而准谐振变换器的 谐振元件只参与能量变换的某一个阶段 不是全程参与 零开关 PWM 变换器是在准谐 振的基础上加入一个辅助开关管 来控制谐振元件的谐振过程 零转换 PWM 变换器的 辅助谐振电路只是在开关管开关时工作一段时间 其它时间则停止工作 全谐振变换 器主要由开关网络和谐振槽路组成 它使得流过开关管的电流变为正弦而不是方波 然后设法使开关管在某一时刻导通 实现零电压或零电流开关 虽然理论上 LLC 半桥谐振电路可以在全负载范围内实现零电压开通 但是还是要 考虑谐振电路工作情况 比如增益 谐振频率 确保了 LLC 谐振电路工作在期望的区 域 才能保证 MOSFET 实现零电压开通 为了更好的分析 MOSFET ZVS 条件与 LLC 谐振 电路工作区域的关系 首先需要分析谐振电路输入阻抗 因此对 LLC 半桥谐振电路进 行以下简化 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 LLC 半桥谐振电路简化建模 13 图 3 1 LLC 半桥谐振电路简化电路 Fig 3 1 Simplified circuit of LLC half bridge resonant circuit LLC 半桥谐振等效电路输出输入传递函数如下 公式 3 1 o 2 m o 2 m m r o 2 m o 2 m ZnjwL ZnjwL jwL jwC 1 ZnjwL ZnjwL Vin 2 nVo 其中 第一谐振频率 两个谐振频率中频率较高者 rr r1 CL2 1 f 第二谐振频率 两个谐振频率中频率较低者 rrm r2 CL L2 1 f 谐振电感与变压器漏感之比 简称 电感比 m r L L 开关频率与第一谐振频率之比 简称 频率比 r1 sw n f f f 品质因数 2 out 2 outo Vn PZ Q 输出特征阻抗 rr rr r r o Cf2 1 Lf2 C L Z 初级侧与次级侧变压器匝数比 简称 匝数比 s P N N n 等效 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 LLC 半桥谐振电路简化建模 14 由上述公式 1 左边部分进行变化 可以得出两倍匝数比与输出电压的乘积对输入 电压关于频率比 电感比和品质因数的传递函数为 公式 3 2 Vin 2nVo Q M fn 将 代入公式 3 1 并进行简化 可以得出 r1 sw n f f f m r L L 2 out 2 outo Vn PZ Q 公式 3 3 2 n n 2 2 2 n n f 1 fQ f 1 1 Q M f LLC 半桥谐振电路的直流特性显示 如果工作在在 fr1 的右端 它的特点与串联谐 振相同 而工作在 fr1 的左边 根据负载情况 类似于并联谐振或串联谐振 重载时 接近于串联谐振 而随着负载的减轻越来越接近于并联谐振 正是由于这个特点 可 以让系统工作在串联谐振频率点以获得高的效率 这样由于在低于串联谐振频率点工 作时 工作特性类似于并联谐振 因而能够让其始终工作在零电压开关工作模式 根 据上面的讨论 LLC 谐振变换的直流特性可以根据不同的工作模式分为三个工作区 如 下图所示 容性工作区 感性工作区 为期望设计的工作区 和边界工作区 频率比 fn 电压增益特征函数 M 边界区 感性区 容性区 负载独立工作点 上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 LLC 半桥谐振电路简化建模 15 图 3 2 LLC 谐振电路增益图 Fig 3 2Conversion ratio of LLC resonant half bridge 从上图中可以看出 当电路工作在感性区域时 蓝色部分 fn 1 即开关频率大 于 fr1 当电路工作在容性区域时 黄色部分 fnfr2 Fig 4 2Frequency operation range left and waveform right when fminfr2 从波形图可以看出当最低工作频率 fmin 远离第二谐振频率 fr2 时 MOSFET LS Vds LS Ids ZVS Resonant current LS Vgs fr1 fnmax fnmin fr2 上海交通大学工程硕士学位论文 第四章 LLC 半桥谐振电路优化方案 22 在每个开关周期都可以实现零电压开通 这样大大降低了 MOSFET 的功耗 4 2 Lr Lm 设计优化设计优化 从公式 3 5 可以看出 Lr Lm 将决定 LLC 谐振电路无负载时的电压增益 这是设 计当中确保电路能否工作在无负载情况下的关键 再者 电路开关频率受 即 Lr Lm 的影响 随着 的增加 无载开关频率会提高 电压增益则会降低 如下图 M 4 3 所示 6 图 4 3 LLC 谐振电路中 fn M 的关系 Fig 4 3 the relationship among fn M in LLC resonant circuit 根据上面的仿真结果 对于 LLC 可以看出 值越小 电路的激磁电流和增益越高 且 越小 所需稳压的频率范围越大 因此 对于 Lr Lm 的比例不应当过大或过小 具体取值须经实验进一步调整 4 3 MOSFET 零电压开通条件零电压开通条件 要确保 MOSFET 实现零电压开通 首先要确保使 LLC 半桥谐振电路工作在感性区域 但这只是必要条件而非充分条件 这是因为 MOSFET 并不是一个理想的模型 MOSFET 在 半桥电路中的寄生电容在每个开关周期中都会消耗额外的能量 为了更好理解 MOSFET M 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 1 fn fn fnfn f no loadf no load f no loadf no load M M M M 上海交通大学工程硕士学位论文 第四章 LLC 半桥谐振电路优化方案 23 的零电压开通 见下图 4 3 为 MOSFET 在 LLC 半桥谐振电路中零电压开通的波形图 图 4 4 LLC 谐振电路中 MOSFET 零电压开通波形图 Fig 4 4 Zero switching of MOSFET in LLC resonant circuit CH1 上管漏极电压 CH3 上管电流 CH2 下管漏极电压 CH4 下管电流 无载无载 ZVSZVS 满载满载 ZVSZVS CH1 上管漏极电压 CH3 上管电流 CH2 下管漏极电压 CH4 下管电流 上管开通上管开通下管开通下管开通 CH1 上管漏极电压 CH3 上管电流 CH2 下管漏极电压 CH4 下管电流 上海交通大学工程硕士学位论文 第四章 LLC 半桥谐振电路优化方案 24 由上图 4 4 可以看出 MOSFET 无论在满载还是无负载时都实现了零电压开通的理 想状态 并且电流始终滞后于电压 可以利用这个特性 使 MOSFET 的输出电容和寄生 电容上的电压在开通前充分放电来实现零电压开通 也就是说电路在 MOSFET 死区时间 期间需提供最小的放电电流 这就是 MOSFET ZVS 的基本原理 对于 LLC 半桥谐振电路 来说 需要被放电的等效电容为 公式4 4 lparasiticaosstotal C2CC 那么对于最小的放电电流需满足以下要求 公式 4 5VinC2tsin I2 totaldeadr 这里 Ir 是有效值谐振电流 Vin 是 LLC 半桥谐振电路输入电压 即前级 PFC 输 出电压 400Vdc 是半桥电路 MOSFET 的死区时间 此电路的 PWM 半桥谐振控制芯片 dead t 为 L6599 上下两管得死区时间取决于 L6599 的死区时间 300ns 因为输入电压 Vin 是一个矩形波 假设谐振电流 Ir 是理想的正弦波形 那么就可以很容易得到谐振电压 公式 4 6 dcr V 2 V Vdc 是上下两管中间联结点的电压 即下管漏极电压 由 Vr Ir 可以得出谐振电 路输入功率 公式 4 7cos IVP rrin 将公式 4 6 代入公式 4 7 有效值谐振电流为 公式 4 8 cos V 2 P I dc in r 根据公式 4 5 和公式 4 7 对于半桥谐振电路零电压开通条件可以转换为 公式 4 9 indead 2 dcoss Pt VC2 tan 由上文图 9 中 LLC 半桥谐振电路的等效简化点可以列出谐振腔输入阻抗的公式 公式 4 10 mload 2 r r in sLRnsL sC 1 s Z 列出输入与输出阻抗之比 并且用 频率比 来表示 公式 4 11 n 2 n n n o in n jf f1 Qf jf jW Z jW Z Z 上海交通大学工程硕士学位论文 第四章 LLC 半桥谐振电路优化方案 25 那么将 阻抗比 的虚数部分比上实数部分 就可以得到输入电压与电流之间的 滞后角度 公式 4 12 n n 2 nnn n f 1 fQ f 1 Qf Re Z Im Z tan 对上式 4 12 进行简化