半桥谐振电路的设计与应用硕士学位.doc
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1、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 学学 校:校:上海交通大学 院院 系:系:微纳科学研究院 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 Univers
2、ity Shanghai, P.R.China Jan, 2011 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
3、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
4、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
5、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 LL
6、C 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
7、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 virt
8、ue. 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. Lastl
9、y, 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
10、 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 an
11、d 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
12、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. I
13、n 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
14、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 L
15、LC, 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 - Paralle
16、l 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
17、.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2
18、4 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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
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- 谐振 电路 设计 应用 硕士学位
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