⾼效LLC谐振式DCDC变换器的研究
浙江⼤学硕⼠学位论⽂摘要
摘要
本⽂介绍了传统开关电源的DC／DC变换器的概况，指出当变换器要考虑维持时间(hold up time)时(即宽输⼊电压范 围)，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。本⽂研究的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fr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。
本⽂详细分析了LLC谐振式变换器在连续⼯作模式下的⼯作状态，分析了谐振⽹络输⼊阻抗、电压增益等参数对电路性能的影响，并给出了⼀般的设计步骤。最后设计了⼀台1500W的LLC谐振式变换器样机，通过⽐较理论值、仿真值与实验数据，验证了变换器的优点。关键词：DC／DC变
II
pbst浙江⼤学硕上学位论⽂Abstract
Abstract
After reviewing the states of PWM DC／DC converteL and comparing with other resonant topologies，hi曲efficiency LLC resonant topology is proposed．The LLC topology is developed from traditional SRC resonant topology through adding only one inductor．The ncw LLC topology Can boost the input voltage when its operation frequency is lower than the resonant frequency．So it can get higher efficiency than
other topology when it operation at rated input voltage．
LLC operation principles，parameter design and design process ale presented in the paper．
At the end of the paper，1 500W LLC DC／DC converter was designed，The test result verified the good performance of this topology．
Key word：DC—DC converter,Resonant，ZVS，ZCS，Efficiency
III
致谢
本⽂是在导师马皓教授的悉⼼指导下完成的。从在浙江⼤学求学⾄今，马皓教授⼀直在⼯作和学习上给予我⽆私的帮助．导师渊博深厚的学识，严谨求是的治学
态度，虚怀若⾕的博⼤胸襟，平易近⼈的学者之风，乐观豁达的⼈⽣态度，令我深感
敬佩，同时必将深深影响我今后的⼯作和学>--j，使我受益终⾝，值此论⽂完成之
际，向导师表⽰深深的谢意与尊敬!
本⽂也是在企业导师马⼩林的帮助下完成。企业导师在我在⼊职以来，⼀直在⼯作和⽣活上给予我不懈的指导和⼤⼒帮助，使我⼯作能⼒不断提⾼，取得⼀
定的成绩。感谢企业导师对我的关⼼及照顾。同时也感谢郭兵，左有毅等同事的
帮助和⽀持，他们让我感受到了团队的⼒量。感谢康舒电⼦杭州分公司对我的培
养与⽀持。
感谢⽗母对我的养育之恩，感谢夫⼈对我的⽀持，你们⼀直是我前进的动⼒。感谢浙江⼤学对我
多年的教育及培养，最后感谢本⽂的评阅和答辩委员会各位⽼师能在百忙中对本⽂进⾏审阅与指导。
周军
201l⼀05
浙江⼤学硕⼠学位论⽂图表清单
图表清单
图2．1 Buck变换器4图2．2 Boost变换器⼀5图2．3三绕组复位正激变换器．6图2．4带RCD吸收的反激变换器．．6图2．5双管正激变换器7图2．6全桥变换器7图2．7 PWM开关和谐振开关⽰意图8图2．8半桥串联谐振变换器．9图2．9半桥并联谐振变换器．9图2．10半桥串并联谐振变换器．10图2．11半桥LLC谐振变换器。lO 图3．1半桥LLC谐振变换器．12图3．2 LLC等效电路图．．1 3图3．3半桥LLC谐振原理图．14图3．4半桥LLC谐振变换器的状态流程图n引．14图3．5半桥LLC⼯作流程图(fs>fr) ⼀17图3．6半桥LLC谐振原理图以及参考⽅向．17图3．7 LLC谐振变换器⾼于谐振频率时的⼯作波形⼀
18 图3．8⼯作阶段l(t0~t1) 18
图3．9⼯作阶段2(tl～t2) 19图3．10⼯作阶段3(t2～t3) ⼀19图3．11⼯作阶段4(t3-t4) 20图3．12⼯作阶段5(t4--t5) 20图3．13⼯作阶段6【ts-t6) 21图3．14⼯作阶段7(t6^t7) 2l 图3．15⼯作阶段8(tT--t8) 22图3．16⾼于谐振频率时的LLC简化等效电路．22
I、，
浙江⼤学硕⼠学位论⽂图表清单
图3．1 7 LLC⼯作波形(fs>fr) 24图3．18半桥LLC重载时流程图(fs
V
图6．2谐振⽹络波形(输出电压54V 5％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43V 5％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6．8 OCP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6．14 LLC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4．1 1．5kW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4．5 L6599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
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4．18 MOS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
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
继电器底座
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
发展⾮常迅猛，是发展最快的电能转换技术之⼀．
1．1．2 DC／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(soft switching)。所谓软开关指的是
零电压开关ZVS(Zero Voltage Switching)，或零电流开关ZCS(Zero Cun'ent Switching)．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
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
(Burst Mode)或跳周期模式(Skip mode)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(hold up time)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)
压脉带和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。
2 DC／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。2．1．1 Buck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2．1 Buck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)
2．1．2 Boost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 2 DC／DC变换器技术概况
图2．2 Boost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：
玻璃钢套管
‰=击％(2-2)
2．2隔离型PWM DC／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
日本寿司刀的数量来分，有单管直流变换器，典型的有正激变换器(Forward converter)和反
激变换器(Flyback converter)，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(Double transistor forward converter)、双管反激变换器(Double
transistor flyback converter)、推挽变换器(Push—Pull converter)和半桥变换器
(Halfbridge converter)，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(Full bridge 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
橄榄油的制作方法压器，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，
豫公网安备41160202000603
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