# 1

LLC 半桥谐振电路的设计与应用

Design and Application of LLC Half bridge Resonant circuit

Author：Dong Yan Specialty: Semiconductor Science Advisor Ⅰ : Prof. Dai Qingyuan Advisor Ⅱ :

School of Electronics and Electric Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai， P.R.China Jan， 2011

LLC 半桥谐振电路的设计与应用 摘 要

~I~

ABSTRACT

Design and Application of LLC Half bridge Resonant Circuit

ABSTRACT

~ II ~

ABSTRACT

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

~ III ~

Abbreviations 缩略语 PFC ZVS SRC PRC SPRC

Full spelling 英文全名 Power Factor Corrector Zero Voltage Switching Seires Resonant Circuit Parallel Resonant Circuit Seires - Parallel Resonant Circuit

Chinese explanation 中文解释 功率因数校正器 零电压开通 串联谐振电路 并联谐振电路 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。

~ IV ~

~V~

6.3 损耗分析 .............................................................................................................................................. 48 6.3.1 PFC 电路部分 .............................................................................................................................. 48 6.3.2 DC-DC 电路部分 ......................................................................................................................... 48 6.4 本章小结 .............................................................................................................................................. 50 第七章 实验中遇到的问题及解决方案 ............................................................................... 51 7.1 实验中遇到的问题 .............................................................................................................................. 51 7.2 解决方案 .............................................................................................................................................. 52 7.3 本章小结 .............................................................................................................................................. 54 第八章 总结与展望 ........................................................................................................ 55 8.1 论文工作回顾 ...................................................................................................................................... 55 8.2 论文成果与意义 .................................................................................................................................. 55 8.3 存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

~ VI ~

1.1 课题研究背景与意义

~1~

1.2 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

~2~

~3~

~4~

2.1 LLC 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。

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） ，

~5~

2.2 LLC 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： 1 fr1 ? 2π L r C r 1 fr2 ? 2π (L m ? L r )C r

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~7~

?

T1~ 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。

?

T2~ 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。

~8~

?

T3~ 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。

~9~

?

T4~ 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。

?

T5~ 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。

~ 10 ~

2.3 本章小结

~ 11 ~

3.1 LLC 半桥谐振电路简化

~ 12 ~

LLC 半桥谐振等效电路输出输入传递函数如下：

jwL m n 2 Z o jwL m ? n 2 Z o nVo ? jwL m n 2 Z o Vin/2 1 ? jwL m ? jwC r jwL m ? n 2 Z o

1 ；第一谐振频率（两个谐振频率中频率较高者） 2π L r C r 1 fr2 ? ；第二谐振频率（两个谐振频率中频率较低者） 2π (L m ? L r )C r L λ ? r ；谐振电感与变压器漏感之比，简称“电感比” Lm f fn ? sw ；开关频率与第一谐振频率之比，简称“频率比” fr1 ZP Q ? 2o out2 ；品质因数 n Vout
Zo ? Lr 1 ；输出特征阻抗 ? 2π ? fr ? L r ? Cr 2π ? fr ? C r

n?

NP ；初级侧与次级侧变压器匝数比，简称“匝数比” Ns

~ 13 ~

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。

M 频率比 fn

~ 14 ~

~ 15 ~

~ 264VAC） 。因此，有前级 PFC 的 LLC 谐振电路可以工作在负载独立工作点上。 上图中的红色曲线为 LLC 谐振电路无负载时的曲线 M ? ?fn ? ?? ； 此时可以将公 3-3 变化为： 1 M(fn , λ ,Q) ? 公式 3-4 λ 1 ?λ ? 2 fn 由于λ 相对于 fn2 可以忽略不计，那么 M ? 就可以进一步简化为如下公式 3-5： 1 M ? ? M(fn , λ ,Q) ? 公式 3-5 1 ?λ 结合上面的讨论，利用最小电压增益特征函数 Mmin 大于 M ? ，可以在输入直流电压最高 处可以得到 Mmin，这样就有可能使电路工作在无负载情况下。Mmin 如下： Vo 1 M min ? 2n ? = M? 公式 3-6 Vinmax 1 ? λ 此时，可以得到最高开关频率比：

fn.max ?

1 1 1 ? 1? ? ?1 ? ? λ ? Mmin ?

M max ? 2n Vo Vinmin

fn.min ?

1 1 1 ? 1? ? ?1 ? ? λ ? Mmax 2 ?

3.2 本章小结

~ 16 ~

~ 17 ~

LLC 半桥谐振电路可以从以下四个方面考虑优化方案：工作频率设置，Lr/Lm 之比 参数设计，选择满足零电压开通的 MOSFET，PWM 控制器的选择。

4.1 频率设置优化
LLC 谐振电路输出电压调整主要通过改变谐振腔输入方波开关频率。由于电路工作 区域是在电压增益曲线的感性工作区，由上图可以看出，电路通过调整频率来调整输出 电压，提高频率以响应输出功率降低的需求；或者通过提高输入直流电压来实现电路工 作在轻载模式。基于这两点，如果 LLC 谐振电路可以工作在负载独立工作点附近，那么 其输出电压可以在较宽负载变化范围且相对较窄的开关频率范围内实现调整。从上图 3 中也可以看出，输入直流电压范围越宽，其开关频率范围也越宽，如果工作在这种情况 下，LLC 谐振电路将很难优化，这是 LLC 谐振电路的一个主要缺点。但是，对于前级连 接 PFC 的 LLC 谐振电路来说，这个缺点可以忽略。因为 LLC 谐振电路的输入直流电压此 时为 400VDC 左右，是一个比较窄的范围，即使真正的输入电压为宽范围电压（90VAC ~ 264VAC） 。因此，有前级 PFC 的 LLC 谐振电路可以工作在负载独立工作点上。上图 3-2 中的红色曲线为 LLC 谐振电路无负载时的曲线 1 M ? ? M(fn , λ ,Q) ? ； ?fn ? ?? ； 1 ?λ 公式 4-1

M max ? 2n Vo ； fn.min ? Vinmin

1 1 1 ? 1? ? ?1 ? ? λ ? Mmax 2 ?

~ 18 ~

Server 的 LLC 半桥谐振电路设计, LLC 谐振电路的输入电压为 400V（PFC 输出电压） ， 输出电压（电流）为 12V (80A) ： ? 优化前： 如果将最低工作频率 （fmin） 设置在接近于第二谐振频率 （fr2） ， 甚至比 fr2 更低。 这时 LLC 半桥谐振电路的工作频率范围如下图 13 左图中灰色阴影所示；那么电路谐振 腔内正弦谐振电流波形的周期将发生变化，其周期缩短为 MOSFET 开关周期的一半（见 下图 4-1 右图） 。

fmin fr2 fr1
Possibility of

fmax

LS Vds Resonant current

cross conduction

LS Vgs

t0

t1 t2

Reverse recovery

t3

~ 19 ~

~ 20 ~

fnmin fr2

fr1

fnmax LS Vds Resonant current LS Vgs

LS Ids ZVS

4.2 Lr/Lm 设计优化

~ 21 ~

M(x,1,0)

6

λ =1

M(x,0.5,0)

λ =0.5

M(x,1,0.5)

M(x,0.5,0.5)

M(x,1,1)

M(x,0.5,1)

M(x,1,2)

M(x,0.5,2)

M∞

M∞

M(x,0.2,0)

λ =0.2
M(x,0.1,0)

fn

λ =0.1

M(x,0.2,0.5)

M(x,0.1,0.5)

M(x,0.2,1)

M(x,0.1,1)

M(x,0.2,2)

Fig.4-3 the relationship among fn, M, λ in LLC resonant circuit

M∞ M(x,0.1,2)

M∞

fn

fn

4.3 MOSFET 零电压开通条件

ZVS

ZVS

~ 22 ~

CH1: 上管漏极电压 CH2: 下管漏极电压

CH3: 上管电流 CH4: 下管电流

CH1: 上管漏极电压 CH2: 下管漏极电压

CH3: 上管电流 CH4: 下管电流

CH1: 上管漏极电压 CH3: 上管电流

CH2:下管漏极电压

CH4: 下管电流

Ctotal ? 2C oss ? C parasitica l

~ 23 ~

2 ? Ir ? sinθ ? tdead ? 2 ? Ctotal ? Vin

Pin ? VrIrcosθ

tanθ ? ? Im(Z n ) λ ? λ ? 1 ? ? ? ? 1 ? λ ? ? Q f ? n 2 ? Re(Z n ) Qfn ? fn ? fn ? ? ? ? ? ? ?

tanθ ? λ Q

~ 24 ~

Q zvs ?

π λ ? tdead ? Pin ? 2 C total ? Vdc 2

4.4 PWM 控制器选择优化

~ 25 ~

~ 26 ~

fmin ? fr1 ?

1 1 1 ? 1? ?? ?1 ? ? λ ? Mmax 2 ?

4.5 本章小结

~ 27 ~

5.1 PFC 部分设计—基于 PFC 控制芯片 L6563

5.1.1 功率因数矫正的基本概念 PFC 的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率 因数指的是有效功率与总耗电量 (视在功率) 之间的关系，也就是有效功率除以总耗电 量 (视在功率) 的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因 素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和 电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要 PFC 电路提高功率因数。 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利 于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证 明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济 运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机 及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此防止和减小电流谐波对电网的污 染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法 规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求， 世界各国尤其是发达国家已开始实施 这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。 设计人员面对着实现适当的 PFC 段， 并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本 的艰巨任务，许多新型 PFC 拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求 的设计。 在电源的设计中，目前的 PFC 有两种，一种为被动式 PFC（也称无源 PFC）和主动 式 PFC（也称有源式 PFC） 。被动式 PFC 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与 电压之间相位差减小来提高功率因数， 被动式 PFC 包括静音式被动 PFC 和非静音式被动 PFC。被动式 PFC 的功率因数只能达到 0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。而主动 式 PFC 则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用 IC 去调整电流的波形，对

~ 28 ~

~ 29 ~

5.1.2 90W 电脑适配器 PFC 部分设计 (1) AC-DC 规格：

(2) 保险丝：在最低输入电压和最大输出功率条件下，计算保险丝电流： Po Ifuse ? ? 1.11A Vin(min) ?η 因此，选择 2A 保险丝。 (3) 整流桥： 首先计算 AC 输入峰值电流: Iin(pk) ? 计算 AC 输入有效值电流: Iin(rms)

2 ? Po ? 1.57A Vin(min) ?η Po ? ? 1.11A Vin(min) ?η

2 2 ? 0.95A π

(3) Boost Diode：

~ 30 ~

8 2 Vin(min) ? ? 0.577A 3π Vout

Po ? 0.25A Vout ?η 根据上面计算结果，选择 STTH2R06（DO-41） ，此快恢复二级管的主要参数如下所示：

（4）输入电容： 假设 hold-up 时间为 25ms，那么输入 bulk 电容容值应为： 2? P ?t C bulk ? 2 o 2hold ?up ? 78.125uF Vout ? Vout(min) 选择 68Uf/450V bulk 电容 （5）PFC 电感： 首先计算 Boost 电路的占空比： Vout ? 2 ? Vin(min) D? ? 0.6819 Vout 然后估算 PFC 电感上的峰值电流： DCM 模式下： IL(pk) ? Iin(pk) ? 1.1 ? 1.1 ? 1.90A CCM 模式下： IL(pk) ? Iin(pk) ? 20% ? 0.31A 由于 L6563 时基于 DCM 控制模式的 PFC 芯片，PFC 电路始终工作在 DCM 模式下，因 此 PFC 电感上的峰值电流大致为 1.9A。 接着计算 PFC 电感感值：
L? 2 ? Vin(min) ? D fsw ? IL(pk) ? 456.45uH

~ 31 ~

L ? IL(pk) N ? Ae

? 0.26T

Np NS ? Vout ? 2 ? Vin(max) 1.4V ? N s ? 5匝

IL(pk) 2

? 1.344A ， 因此选 0.2mm ? 10 根 ? 53 圈。

AP ? A W ? A e ?

L ? IL(pk)2 Bm ? J ? K0

? 0.1626cm 2 ? A W_TKD ? A e_TDK ? 0.1922cm 2

? 7 圈。
PFC 设计总结如下：

~ 32 ~

5.2 DC-DC 部分设计—基于半桥 LLC 控制芯片 L6599

Vout 1 V ? 1 ? n ? ? innom =10 Vinnom 2 Vout (1) 计算输出/输入电压比的最大值、最小值和中间值： M nom ? 2n ?

Vout Vout Vout =0.044； M max ? =0.063； M nom ? =0.05 Vinmax Vinnom Vinmin (2) 计算最大频率比： f fnmax ? max ? 2.5 fr M min ?

~ 33 ~

(3) 计算λ 值：
1 ? 2 ? n ? M min L λ ? r ? Lm 2 ? n ? M min
2 ? fnmax ? ?? ? f2 ? 1 ? ? ? 0.149 ? nmax ?

?2 ? n ? M max ?2 λ 1 Q max1 ? ? ? ? 0.143 2 ?2 ? n ? M max ? ? 1 λ 2 ? n ? M max 计算最大品质因数值 Q max1 ，以保证电路能在最小输入电压和最大负载情况

Re ?

Vout 2 8 2 ? n ? ? 325.13Ω π2 Pout(max)

(6) 计算最大品质因数值 Q max2 ： Tdead π λ ? fnmax Q max2 ? ? ? ? 0.053 4 1 ?λ R e ? ?2 ? C oss ? C parastic ? 计算最大品质因数值 Q max2 ，以保证 MOSFET 在无负载情况下能零电压开通。 (7) 选择合适的品质因数：

Q ? min ?Q max1 ,Q max2 ? ? 0.053

fnmin ?

1 ? 1 ? 1 1? ? 1? 4 ? ? Q ? λ ? 1? ? ? ? ? ? ?2 ? n ? M max ? ? Q max1 ? ? ? ? ? ?

? 0.65

Z R ? R e ? Q ? 17.3Ω 1 CS ? ? 92.02nF 2 ? fr ? Z R ?π ZR LS ? ? 27.53uH 2 ?π ? fr L L p ? s ? 185uH λ

~ 34 ~

(10)

(11)

90W 适配器原理图（见下图 5-3）

~ 35 ~

~ 36 ~

5.3 本章小结

~ 37 ~

6.1 整机测试
(1) 负载调整率和输入调整率：

(2) 效率测试：
η （%） η （%）

(3) 功率因数、待机损耗、电流谐波测试

~ 38 ~

(4) 输出电压纹波测试

300mVp-p

160mVp-p

300mVp-p

152mVp-p

~ 39 ~

(5) 动态负载测试

Δ V=280mV

Δ V=260mV

Δ V=240mV

Δ V=240mV

(6) 输出电压关机维持时间测试

T_关机维持=4.8uS

T_关机维持=0.01uS

~ 40 ~

Fig.6-10 Shundown hold time @110Vac-in，no load Fig.6-11 Shundown hold time @110Vac-in，full load

T_关机维持=5uS

T_关机维持=0.01uS

Fig.6-12 Shundown hold time @230Vac-in，no load Fig.6-13 Shundown hold time @230Vac-in，full load

(7) 启动时间测试

T_启动=6.51uS

T_启动=7.98uS

T_启动=6.93uS

T_启动=9.46uS

~ 41 ~

(8) 过压保护测试

Vovp=20.8V

Vovp=21.2V

(9) 过流保护测试

Iocp=5.4A

Iocp=6A

Iocp=6.2A

~ 42 ~

6.2 测试分析

CECP 规格 > 85%

%

LLC 半桥谐振适配器

~ 43 ~

CECP&Energy start 规格 < 0.75 W

Fig.6-25 Standby Power Comparsison among LLC, Single stage, Q.Resonant Flyback adaptor

W

LLC 半桥谐振适配器

~ 44 ~

6.2.3 短路保护比较 接着对应用了 LLC 半桥谐振电路的 90W 适配器与同功率等级的单级适配器、 准谐振 反激适配器进行短路保护方面的比较。

Fig.6-26 SCP Comparsison among LLC, Single stage, Q.Resonant Flyback adaptor

W

LLC 半桥谐振适配器

~ 45 ~

%

LLC 半桥谐振适配

~ 46 ~

Fig.6-28 Harmonic current Comparsison among LLC, Single stage, Q.Resonant Flyback adaptor

I/Ipk 1 π /3 π /3 π /3

0.35

π /2

π ωt

~ 47 ~

6.3 损耗分析

（1） 整流桥功耗： P_bridge ? 2 ? Vf ? Iin(rms) ? 2.11W

（2A 整流桥 P/N:G2SB60A，Vf=0.95V）
2 （2） PFC MOSFET 导通损耗： Pon ? Iin(rms) ? Rdson ? 0.32W

PFC MOSFE 容性损耗：
Pcap ? ( 10 3 ? Coss ? Vout 1.5 ? 1 2 2 3 ?9 ? Cext ? Vout )? fsw ? 10 ? 10 ? 2.27W

PFC MOSFET 开关损耗: Pcross ? Vout ? Iin(avg) ? Tcr ? fsw ? 103 ? 10 ?9 ? 0.4W PFC MOSFET 总损耗：P_mos=Pon+Pcap+Pdrr+Pcross=2.98W （P/N:STP12NM50N，Rdson=0.35ohm，Coss=0.25nF，Cext=0.2Nf）
（3） Boost diode 损耗： P_diode ? Vf ? IDavg ? IDrms ? R ? 0.29W
2

（P/N:STTH2R06，R=0.125ohm，Vf=1V） （4） PFC 输出滤波殿禄损耗估算：P_filter=0.1% Pin=0.1W PFC 电路部分的总损耗：P_PFC =P_bridge+P_mos+P_diode+P_filter= 5.48W

6.3.2 DC-DC 电路部分

（1）

? Irms ? ? ? ? Rdson n ? ? 单个 LLC MOSFET 导通损耗： Pon(per) ? ? 0.21W
2

2

Pcap(per) ? ( 10 3 ? Coss ? Vfet 1.5

? Pon(per) ? 2 ? 0.43W

?

1 2

2 3 ?9 ? Cext ? Vfet ) ? fsw ? 10 ? 10 ? 0.65W
) ? Pcap(per) ? 2 ? 1.29W

LLC MOSFET 开关损耗： Pcross ? Vfet ? Ipk ? Tcr ? fsw ? 103 ? 10 ?9 ? 0 LLC MOSFET 总损耗：Pon+Pcross+Pcap=1.72W （P/N:STP9NK50ZFP，Rdson=0.25ohm @ 25℃，Coss=0.125nf，Cext=0.2nf，Tcr=20ns，

~ 48 ~

Td=17ns） （2） 次级测整流二级管损耗：P_diode= VfｘIout=2.65W （P/N:STPS20L60CT，Vf=0.56V） （3） 主变压器损耗估算：P_transformer=Pinｘ2%=2W DC-DC 电路部分的总损耗: P_DC-DC =P_MOS+P_diode+P_transformer=6.73W 根据以上演算，得出下面 LLC 半桥谐振适配器的损耗饼图：

90V Input: 100% (102W) 265V Input: 100% (102W) -0.64% (0.66W) -2.63% (2.68W) -0.1% (0.1W) -1.47% -2% -2.23% (1.5W) (2.04W) (2.27W) ~90.93% (92.75W) -1.9% (1.94W) -3.73% (3.8W) -0.1% (0.1W) -1.47% -2% -2.23% (1.5W) (2.04W) (2.27W) ~88.57% (90.34W)

6% 28%

MOS导通损耗

10%

0%

MOS导通损耗

MOS开关损耗

MOS_开关损耗

10%
MOS容性损耗
MOS容性损耗

56%

Boost二级管损耗

60%

30%

PFC 部分

LLC 半桥谐振部分

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6.4 本章小结

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7.1 实验中遇到的问题

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7.2 解决方案

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LS Vds LS Vgs

LS Ids

Qrr=16uC

LS Vds LS Ids LS Vgs LS Ids

LS Ids

Qrr=2.4uC

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7.3 本章小结

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8.1 论文工作回顾

8.2 论文成果与意义

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8.3 存在的问题及进一步工作

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(2) 输出二级管电流仍是 ZCS（无二极管反向恢复问题） (3) 输出二级管电流过零信号仍可以通过谐振腔电流检测 综上分析，无论 LLC 半桥谐振电路工作频率在 fr1 附近，<fr1 还是>fr1；输出二级管 电流过零信号都可以通过谐振腔电流检测。根据此特点，可以大胆提出基于 LLC 半桥谐 振电路的次级侧同步整流方案， 同步整流无疑可以进一步优化 LLC 半桥谐振电路的效率 表现。此 90W 适配器如作进一步研究的话可以分成三个部分组成： （1）应用 L6563H 的 前级 PFC， （2）应用 L6599A 的谐振电路部分， （3）应用 SRK2000 的 LLC 半桥谐振电路 同步整流部分。鉴于在适配器应用的成功应用，相信 LLC 半桥谐振电路同步整流方案可 以推广到跟多领域，尤其是大功率的应用。对于 LLC 半桥谐振电路的展望，除了引入同 步整流方案旨在提高效率表现外， 目前也有不少专家学者提出将前级 PFC 和谐振电路整 合在一起成“单级谐振电路” ，个人认为从外围电路设计角度考虑可以省却不少计算步 骤，从电路本身考虑的话，磁性元器件的设计可能变得更复杂，尤其是只靠变压器漏感 作为谐振电感的时候，此时，可能建议外加电感作为谐振电感；但具体措施都有赖于实 际芯片的应用情况。

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Index 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

Quantity 1 1 1 2 2 1 1 2 2 2 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 7 1

Reference BD1 CN1 CN2 CR202,CR201 CX1,CX2 CY1 C1 C2,C21 C3,C24 C4,C25 C5 C6 C7,C9 C8 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 C22 C23 C26 C27 C28 C201,C202 C204 C203 C205 C208,C206 C207 D1,D2,D4,D5,D6,D7,D8,D9 D3

Value / Generic Part Number D2SB60A Connector 3 PIN Connector 2 PIN STPS20L60CT 470nF/250V 3.3nF 470nF/450V NC 0.1uF 47uF/25V 1nF 1uF/25V 1nF 470nF 100nF 2.2nF NC 68uF/450V 68pF 2.2uF/6.3V 220nF 470pF NPO 470nF 1nF/25V 4.7nF 100nF X7R 100nF 22nF/300VAC 220P/500V 330uF/35V 470u/25V 100nF/25V 100uF/25V 1uF/25V NC 220nF 1N4148 STTH2R06

Package 2S (SIL-4) MKDSN1.5_3P_5.08 MKDSN1.5_2P_5.08 TO-220 XCAP YCAP 18(L) x 7(W) x 10(H)mm C0603 C0603 ECAP5 C0603 C0603 C0603 C0603 C0603 C0603 C1206 ECAP18 C0603 C0805 C0603 C0603 C0603 C0603 C0603 C0805 C0805 16(L) x 5(W) x 10(H)mm CDCAP6 ECAP8 ECAP8 C1206 ECAP5 C1206 C0805 C0805 SMD DO41

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39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

1 1 1 1 1 1 1 4 1 2 1 2 1 3 3 1 2 2 4 1 1 1 1 2 2 1 1 4 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1

D11 FL1 F1 IC201 L1 L201 NTC1 NTC2,R36,R208,R209 Q1 Q4,Q2 Q3 Q5,Q6 Q7 R1,R2,R3 R4,R23,R24 R5 R28,R6 R27,R7 R8,R21,R44,R46 R9 R10 R11 R12 R18 R13 R14 R15 R16,R34,R42,R207 R17 R19 R20 R22 R25 R26 R29 R30 R31 R32 R33 R35 R37 R38 R39 R40 R41 R45,R43 R47 R48

1N4007 FOTC1905500800A T4A/250VAC TL431 CZ QP-25 CHOCK SCK2R55A NC STD1NK60-1 MMBT2222A STP12NM50 STP9NK50ZFP 2N3904 680K 1MF 1.5MF 3MF 2MF 100K 6.8K 10K 62K 56K 22K 20K 150KF 240KF 0 1.5ohm 1K 0.27ohm 2W 6.8K 15K 82K 5.6KF 22KF 39 ohm 1M 2K7 18K 150ohm 0 10K 100ohm 3.9K 47ohm 105ohm 6.8ohm 1/4W

DO41 OTC-19 FUSE8.5L4.5T8.0H TO92 QP-25 LS1_8.0 NTC7.5X2.5_5.0 R0805 IPAK SOT23 TO-220 TO-220FP TO92 R1206 R1206 R1206 R1206 R1206 R0805 R0805 R1206 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 DIP R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R1206 DIP

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87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121

1 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 5 5 2

R49 R50,R51,R52,R53,R201, R202 R203 R204 R205 R206 R209 R210 R211 R212 T1 U1 U2 U3 ZD1 ZD2 ZD3 ZD4 J4,J11,J12 J1 J2 J5 J6 J7 J8 J9 J10 J13 J14 J15 HS1, HS2, HS3 insulator layer for TO220 Screw bolt for TO220 Screw nut for TO220 screw bolt for TO220 ( CR201, CR202 )

4.7K NC NC 100ohm 5.6K 39K 1% 1K 2.2K 120K 6K2F LP-2920 L6563 L6599D PC817B BZV55-C15 BZV55-B27 15V BZV55C15 0ohm Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Jumper wire Heatsink Mica Sheet 3 ?? x 6mm 3???? 3? x 6mm

R0805 R1206 R1206 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 R0805 LP2920(T1) SO-14 SO-16N DIP-4 SMD SMD SMD SMD R1206 ??? ?? x 20mm? ??? ?? x 22mm? ??? ?? x 35mm? ??? ?? x 7.5mm? ??? ?? x 10mm? ??? ?? x 35.5mm? ??? ?? x 10mm? ??? ?? x 10mm? ??? ?? x 35mm? ??? ?? x 7.5mm? ??? ?? x 7.5mm?

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[1] 董艳 Buck 变换其中的过流保护 [J]。 通信电源技术 第 2 期（2011 年） 。

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? , x?0 ?0 2 求(1)E (X1+X2), E(2 X1 ? 3 X 2 (2)又设 X1,X2 相互独立,求 E (X1X2) ); 解: (1) E( X 1 ? X 2 ) ? E( ...

1.概念 遥感:泛指一切无接触的远距离探测,它是种远距离目标,在不与目标对象直接接触的情况下, 通过某种平台上装载的传感器获取其特征信息,然后对所获 取的信息...
07-08(B)_后附答案_1

1.滴定操作练习

MATLAB)课后实验答案[1]
?b ? b 2 ? 4a (2) 如果迭代过程收敛于 r,那么 r 的准确值是 ,当(a,b)的值取(1,1)、 2 (8,3)、(10,0.1)时,分别对迭代结果和准确值进行...

1-5 厚度δ 为 0.1m 的无限大平壁,其材料的导热系数λ =100W/(m·K),在给定的直角坐标系中,分 别画出稳态导热时如下两种情形的温度分布并分析 x 方向...

1)压强差和压强的测定 压强差和压强的测定都是利用流体静力学基本方程式的原理,这些测量仪表有如下 几种。 (1) U 管压差计 如图 1-2 所示,将装有指示剂 ...