图3．19LLC谐振变换器低于谐振频率时的工作波形．25
图3．20工作阶段l（to---t1）一26
图3．2l工作阶段2（tl～t2）。
26
图3．22工作阶段3（tz～t3）27
图3．23工作阶段4（t3～t4）27
图3．24工作阶段5（t4~t5）。
28
图3．25工作阶段6（ts～t6）28
图3．26工作阶段7（t6～t7）。
29
图3．27工作阶段8（tr-t8）29
图3．28LLC谐振变换器低于谐振频率时的等效简化电路图30
图3．29LLC谐振变换器交流等效电路3l
图3．30LLC线路的增益曲线图。
35
图4．11．5kW半桥LLC电路框图一37
图4．2LLC谐振变换器设计流程图39
图4．31．5kW半桥LLC工作频率范围．．43
图4．4控制芯片L6599设置图．．44
图4．5电压控制环46
图4．6无损电流采样电路47
图4．7半桥LLC谐振变换器的驱动电路．48
图4．8LLC额定状况下损耗分布图58
图5．11500W的LLC仿真线路图59
图5．2谐振网络仿真波形（390W54V满载）60
图5．3整流管仿真波形（390V／54V满载）60
图5．4整流管为MUR3020PT时的仿真波形（390W54V满载）61
图5．5无损电流采样电路仿真波形（390W54V满载）62
图5．6输出滤波仿真波形（390V／54V满载）63
图6．1谐振网络波形（输出电压54V满载）．64
V
浙江大学硕士学位论文图表清单
图6．2谐振网络波形（输出电压54V5％负载）．．65
图6．3谐振网络波形（输出电压60V满载）．65图6．4谐振网络波形（输出电压43V5％负载）66
图6．5输出整流波形（输出电压54V满载）．．66
图6．6输出电压纹波（输出电压54V满载）．67图6．7间歇模式工作波形67
图6．8OCP线路波形一68
图6．9不同谐振参数时效率比较l（输出电压54V）69
图6．10不同谐振参数时效率比较2（输出电压54V）．．69图6．1l不同输出电压时效率比较。
70
图6．12不同输出电压时工作频率范围比较．70
图6．13不同功率器件效率比较．7l
图6．14LLC全范围工作曲线．7l
表3．1半桥LLC谐振变换器状态转换表n引．15表3．2变量定义列表32
表4．11．5kW半桥LLC谐振变换器参数规格．38表4．2变换器输入输出参数列表40
表4．3品质因数计算公式42
表4．4谐振参数计算公式43
表4．5L6599频率设置步骤及计算公式45
表4．6无损电流采样电路设计步骤及公式47
表4．7单个输出整流管电压电流应力简化计算公式49
表4．8单个输出整流管在不同输出电压时的电压电流应力50
表4．9单个MOS管电压电流应力简化计算公式50
表4．10不同输出时单个MOS管的电压电流应力．．5l
表4．1l谐振电容电压电流应力简化计算公式．5l
表4．12不同输出时谐振电容的电压电流应力．．52
表4．13谐振电感电流及磁通应力的简化计算公式．52
浙江大学硕上学位论文图表清单
表4．14不同输出时谐振电感的电流和磁通应力．53
表4．15变压器电流及磁通应力的简化计算公式．53表4．16不同输出时变压器的电流和磁通应力．．53表4．17整流管损耗计算公式．54
表4．18MOS管损耗计算公式55
表4．19变压器损耗计算公式．55
表4．20谐振电感损耗计算公式．56
表4．2l差模电感损耗计算公式．57
表4．22额定输入输出时损耗分布．．57
表6．1不同方案谐振参数列表68
表6．2实验所用功率器件特性参数．69
VII
浙江大学硕士学位论文1绪论
l绪论1．1研究背景
开关电源经过近半个世纪的发展，技术日趋成熟，广泛应用于各种场合。
目前开关电源的发展有几个明显的趋势：
绿色化、高效率化、高功率密度化、智能化等。
1．1．1电源分类
由于应用场合的不同，开关电源的种类有很多。
按电网接入的形式，开关电源可以分为一次电源和二次电源；按变换器转换电能的种类可以分为交流／直流（AC／DC）变换电源，是将交流电转换为直流电的电能转换器；直流／直流（DC／DC）变换电源，是将一种直流电能转换为另一种或多种直流电能的转换器；直流／交流（DC／AC）变换电流，是将直流电能转变为交流电能的变换器；交流／交流（AC／AC）变换电源，是将一种频率的交流电直接转化成另一种频率或多种频率的交流电，或是将频率变化的交流电转变为恒定频率交流电的电能转换器。
按电能的流动方向又可分为单向电能变换器和双向电能变换器，单向电能变换器中的电能只能从一个方向流向另一个方向；而双向电能变换器的能量可双向流动。
一次电源是以电网为输入的电源，主要包括AC／DC变换电源和DC／DC变换电源，其中以AC／DC变换电源应用较为广泛。
AC／DC电源按架构来分，又可以分为单级电源和两级电源。
单级电源主要应用于功率因数要求不高的小功率场合，它主要采用隔离DC／DC变换器变换整流后的AC电能得到所需要的DC电能；两级电源的应用要广泛得多，它主要由PFC（功率因数校正）和隔离DC／DC两部分组成．目前功率因数校正技术比较成熟，因此DC／DC变换器依然是一次电源中的研究重点。
二次电源是以一次电源的输出或蓄电池作为输入的电源，主要包括DC／DC
变换电源和DC／AC变换电源，其中以DC／AC变换电源应用更为广泛。
因此我们可以看出DC／DC变换器在开关电源中占据非常重要的位置，技术
浙江大学硕士学位论文l绪论
发展非常迅猛，是发展最快的电能转换技术之一．
1．1．2DC／DC开关电源技术发展方向
为了使开关电源具有更高的效率和更高的功率密度，提出了高频化技术和软开关技术等。
1．高频化技术
提高开关频率可以获得多方面的好处：
减小开关变换器的体积，使开关变换器的功率密度随之大幅提升，动态相应得到改善等。
但开关频率越高，电路中电量的变率也越高，电路所产生的电磁干扰（EMI）也越强，对环境的污染也越严重，所有这些都是不希望出现的．
2．软开关技术
为了追求高功率密度，必须提高变换器的工作频率和效率，从而减小磁性组件和电容以及散热器的体积。
而传统PWM变换器是一种硬开关技术，其功率开关管开通或关断时，器件上的电压或电流不等于零，印存在开关损耗。
随着工作频率增加，开关损耗也随着增加，这就限制了硬开关变换器的最高工作频率。
为了降低开关损耗，提出了软开关技术（softswitching）。
所谓软开关指的是零电压开关ZVS（ZeroVoltageSwitching），或零电流开关ZCS（ZeroCun'entSwitching）．它是应用谐振原理，使功率开关管中的电流或电压按正弦或准正弦
规律变化，当开关管电流自然过零时，使开关关断；或开关管电压为零时，使
开关管开通，从而开关损耗为零幢1。
软开关技术大致可以分成三类：
谐振变换器（包括串联谐振、并联谐振、
准谐振和多谐振），有源箝位ZVS单端变换器，以及零开关脉宽调制变换器（包括ZVS／ZCS—PWM、ZVT／ZCT-PWM和移相全桥ZVS—PWM变换器）。
3．同步整流技术
在低压大电流输出的应用中，由传统的肖特基二极管引起的导通压降，成为低压DC／DC变换器中一个最主要的功耗来源，限制了DC／DC变换器效率的提升．因此采用MOS管做整流管的方案被提了出来，即同步整流技术。
其在正常工作时的压降茭／MOS管Rdson-与流过MOS管电流的乘积。
因此，同步整流技术在低电
浙江大学硕士学位论文l绪论
压、大电流输出场合，可以极大提高变换效率。
4．多工作模式技术有一些应用场合，对全负载范围效率都比较高，此时就可以采用多工作模式
技术。
如通过模块的并联来达到整个系统的功率需求，同时又根据实际的负载状况来控制模块的并联数量以达到最高的转换效率。
改变变换器中控制器的工作模式是另一种提高效率的办法，如在轻载时，将控制器的模式设定为打嗝模式（BurstMode）或跳周期模式（Skipmode）或降频模式等。
降低变换器的开关次数，来降低开关损耗，提高变换器的效率。
1．2论文主要研究内容
当变换器要考虑维持时间（holduptime）时，即要求DC／DC变换器宽输入电压范围时，PWM（脉宽调制）变换器以及SRC（串联谐振），PRC（并联谐振）和SPRC（串并联谐振）等谐振变换器不能在额定输入电压下优化参数。
LLC谐振式变换器是在传统SRC变换器的基础上增加了一并联电感，它的引入改变了SRC的增益曲线，在低于谐振频率仔处增加了--boost区域，使得变换器能够在额
定输入电压下实现最优化。
本文主要对LLC谐振式变换器进行研究。
本论文的主要研究内容如下：
1．归纳整理目前DC／DC变换器技术，特别是谐振变换技术的研究概况。
2．LLC谐振式DC／DC变换器主电路参数优化设计研究。
3．LLC谐振式DC／DC变换器的控制技术研究。
4．应用于1500W通信电源中的LLC谐振式DC／DC变换器的样机设计、仿真、实验研究。
2DC／DC变换器技术概况
2．1基本DC／DC变换器
基本DC／DC变换器包括Buck、Boost、Buck—Boost、Sepic、Cuk、Zeta，
其中又以Buck和Boost为最常用的基本变换器。
2．1．1Buck变换器Buck变换器又称st印．do、釉变换器，即降压变换器，其输出电压低于输入电
压，即用来实现降压变换的变换器n1。
图2．1Buck变换器Buck型Dc／Dc的输出电压与开关管的导通占空比D和输入电压的关系为：
‰=D毒％（2一1）
2．1．2Boost变换器
在基本变换器中，Boost变换器是第二常用的变换器。
Boost变换器又称St印．up变换器即升压变换器，其输出电压高于输入电压，常用于功率因数校正电路。
4
浙江大学硕士学位论文2DC／DC变换器技术概况
图2．2Boost变换器Boost型_DC／DC5换器的输出电压与开关管的导通占空比D和输入电压的关
系为：
‰=击％（2-2）
2．2隔离型PWMDC／DC变换器
隔离性DC／DC$换器都是在基本变换器的基础上发展起来的。
以所用开关管的数量来分，有单管直流变换器，典型的有正激变换器（Forwardconverter）和反激变换器（Flybackconverter），其中正激变换器是从Buck变换器的基础上发展而来，反激变换器是从Buck—Boost变换器中发展而来；有双管直流变换器，典型的有双管正激变换器（Doubletransistorforwardconverter）、双管反激变换器（Doubletransistorflybackconverter）、推挽变换器（Push—Pullconverter）和半桥变换器（Halfbridgeconverter），其中双管正激变换器、推挽变换器和常见的半
桥变换器都是从Buck变换器的基础上发展而来，双管反激变换器是从Buck—Boost
变换器中发展而来；有四管直流变换器，典型的有全桥变换器（Fullbridge
converter），常见的全桥变换器也是从Buck变换器的基础上发展而来。
在隔离性DC／DC变换器中，常用的变换器有正激变换器、反激变换器、双管
正激变换器和全桥变换器等。
2．2．1正激变换器
正激变换器是auck'变换器的一种变形，它的输入输出之间有一个变压器，
变压器的作用是电隔离和电压变换‘21。
图2．3三绕组复位正激变换器
正激变换器的输出电压与开关管的导通占空比D、变压器匝比和输入电压的
关系为：
‰=D宰刀掌％（2—3）
其中刀=Ns／Np为变压器的匝比。
2．2．2反激变换器
反激变换器是Buck／Boost变换器的一种变形，它的输入输出之间有一个变压器，变压器除了电隔离的作用外还有存储能量的作用”1。
图2．4带RCD吸收的反激变换器反激变换器的输出电压与开关管的导通占空比D、变压器匝比和输入电压的
关系为：
‰=啬”v,n江4）
其中，，=Ns／坳为变压器的匝比。
2．2．3双管正激变换器双管正激变换器是正激变换器的一种变形，它采用双开关管同时开通关断，
降低了开关管的电压应力‘21。
6
陆圆
图2．5双管正激变换器
双管正激变换器的输出电压与开关管的导通占空比D、变压器匝比和输入电
压的关系为：
‰=D木刀宰吃（2—5）
其中，，=ms／rap为变压器的匝比。
2．2．4全桥变换器
全桥变换器也是由Buck电路发展而来，它采用四开关管的桥式架构交互导通，可对变压器双向激磁，极大地增加了磁性元件的利用率幢1。
图2．6全桥变换器全桥变换器的输出电压与开关管的导通占空比D、变压器匝比和输入电压的
关系为：
‰=2奉D奉刀幸％（2·6）
其中丹=Ns／Np为变压器的匝比。
以上Dc／Dc变换器主要采用PwM（脉宽调制控制）的方式来控制输出电压，
在增加一些辅助线路的情况下，它们也可以实现软开关，但通常比较复杂。
浙江大学硕上学位论文2DC／I）c变换器技术概况
2．3谐振变换器
谐振变换器是最早提出的软开关变换器，准谐振开关是在PWM开关上附加谐振网络，利用局部谐振实现ZCS或ZVS。
图2．7（a）为PWM开关（即硬开关）示意图；图2．7（b）和（c）分别是ZCS和ZVS谐振开关。
在ZCS谐振开关中，当功率晶体管导通时，谐振网络LrCr接通，器件中电流按正弦规律变化，当电流谐振到零时，晶体管关断，谐振结束，因此图2．7（b）称为ZCS准谐振开关。
在ZVS谐振开关中，当功率晶体管关断时，LrCr串联谐振，电容Cf上的电压按正弦规律变化，当它自然过零时，开通功率晶体管，因此图2．7（c）称为ZVS准谐振开关D1。
crcr
．．．．．．．／．．．．一
S
（a）PwM开关（b：
ZCS谐振开关（c）ZVS谐振开关
图2．7PWM开关和谐振开关示意图
PWM开关变换器的特点是开关频率恒定，所以当输入电压或负载变动时，为保持开关变换器输出电压基本不变，只要改变它的占空比即可，是一种恒频控制方式，比较简单。
而谐振变换器虽然实现了软开关，但是，它的输出电压与开关频率有直接的关系，需要采用变频控制，才能保证输出电压在不同输入电压和输出负载时恒定。
这种变频控制方式不如PWM方式简单，比较复杂。
而且电路中，所有的变压器、电感等磁性组件，都需要按最低工作频率来设计，体积比较大，不能实现很高的功率密度幢’。
当然，现在也有文章研究定频控制
方式的谐振变换器，一般都是采用所需的最低工作频率来做恒定的工作频率，然后通过占空比或移相角等方武来控制谐振时间，进而保证输出电压在不同输入电压和输出负载时恒定。
谐振变换器的两种基本拓扑是串联谐振变换器（SRC）和并联谐振变换器
（PRC），都是二阶谐振变换器，分别如图2．8和图2．9所示。
SRC的缺点有：
浙江大学硕士学位论文2DC／I）C变换器技术概况
空载时难以调压，轻载时会失去ZVS，环流能量（circulatingenergy，定义为每个开关周期返回到输入端的能量，其值越高，通态损耗越大）高，其环流能量
和开关管关断时电流随着输入电压升高而增加（关断电流越大，关断损耗越大）．PRC的缺点有：
轻载到满载范围环流能量都很高，环流能量和开关管关断时电流随输入电压升高而增加b1。
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Ns
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图2．8半桥串联谐振变换器
V
D2
图2．9半桥并联谐振变换器
为了克服二阶谐振变换器的缺点，人们提出了高阶谐振变换器，最典型的就是SPRC串并联谐振变换器，如图2．10所示。
SPRC一定程度上改善了SRC和PRC的缺点，但其环流能量和开关管关断时电流也随输入电压升高而增加b1。
9
浙江大学硕上学位论文2DC／DC变换器技术概况
V
DZ
图2．10半桥串并联谐振变换器
综上所述，SRC、PRC和SPRC的通态损耗和关断损耗会随着输入电压升高而增加，当变换器要考虑维持时间（holduptime）时（即宽输入电压范围），其效率无法在正常输入电压下得到优化n·4。
5。
6’。
为了能够在正常输入电压下优化变换器，LLC串联谐振变换器被提出来。
LLC谐振变换器是从SRC发展过来的。
实际上，采用变压器隔离的SRC变换器，变压器的励磁电感就相当于在传统SRC变换器上增加了一个与负载并联的电感，如图2．1l所示"·。
‘t¨2·Ⅲ。
V
图2．11半桥LLC谐振变换器对该电路的分析与研究将在下一章具体展开。
LLC谐振式变换器的优点：
1．原边开关管ZVS开通，副边二极管ZCS关断
2．结构简单
3．易高频化，高功率密度化
lO
浙江大学硕上学位论文2DCfDC变换器技术概况
4．原副边管子电压应力较低
5．输入电压范围广，可在高压下优化效率
LLC谐振式变换器的缺点：
1．电流应力较大。
由于谐振腔的存在，变压器的原副边电流都会正
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