硕士学位论文
LLC变换器软开关特性及谐振参数优化研究
RESEARCH ON SOFT SWITCH MECHANISM AND OPTIMIZATION DESIGN OF LLC
RESONANT CONVERTER
戴幸涛
哈尔滨工业大学
2012年6月
国内图书分类号：TM46 学校代码：10213
国际图书分类号：621.3 密级：公开
工学硕士学位论文
LLC变换器软开关特性及谐振参数优化研究
硕士研究生：戴幸涛
导师：徐殿国教授
申请学位：工程硕士
学科：电气工程
所在单位：深圳研究生院
答辩日期：2012年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TM46
U.D.C: 621.3
Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON SOFT SWITCH MECHANISM AND OPTIMIZATION DESIGN OF LLC
RESONANT CONVERTER
Candidate：Dai Xingtao
Supervisor：Prof. Xu Dianguo
Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Electrical Engineering Affiliation：Shenzhen Graduate School
Date of Defence：June, 2012
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
摘要
高效率高功率密度是DC-DC变换器的重要指标。提高开关频率可以有效减小磁性元件的体积，但会带来开关损耗的增大。软开关技术可以在高频下降低开关损耗，从而提高变换器效率。谐振变换器由于可以实现软开关，得到了广泛关注，尤其是LLC谐振变换器，以其结构简单、具有零电压开通特性、易于磁集成、输出功率大等优点，成为研究的热点。
本文对LLC变换器不同谐振工作区域的特点进行了分析，对其零电压开通过程进行了详细的研究，从谐振电流为开关管结电容放电的角度，提出了开关管要实现零电压开通所必需的两个条件，并在此基础上对开关管零电压开通和死区时间、负载的关系进行了分析。
LLC的谐振参数设计是LLC变换器设计的重点与难点，本文对LLC参数设计方法进行了改进，采用解析+做图+仿真三步法对LLC谐振参数进行优化设计。首先通过构建解析函数，初步求出电感系数K值和品质因数Q值最优值；然后利用MATLAB软件做出直流电压归一化增益曲线，采用图解法对解析结果进行直观的验证，明确了物理意义；最后利用Saber仿真软件对谐振参数进行进一步仿真优化，修正了基波分析方法在参数设计中的误差。之后针对宽电压输入，开环定频运行两种不同的应用条件对LLC参数设计方法进行了拓展。
本文对LLC变换器的磁性元件设计进行了探讨，对比了分立磁性元件设计和磁集成结构的优缺点。本文研究了LLC变换器的三种过载保护方法：提高开关频率、PWM控制和变频控制相结合、采用分离电容式拓扑。着重分析了三种方法对谐振电流的控制作用，总结了其工作特点。最后，结合仿真与实验对本文的理论进行了验证。
关键词：LLC变换器；零电压开通；谐振参数优化设计；磁集成；过载保护
ABSTRACT
ABSTRACT
High efficiency and high power density are the key points in the DC-DC converter design. Increasing the switch frequency can effectively reduce the volume of magnetic components, but will increase the switch loss. Soft switch technology can reduce switching loss in the high frequency and improve the efficiency of the converter. Resonant converter which can realize soft switch recently obtained a lot of concern. Especially LLC resonant converter, with its simple structure,zero voltage switch, easy to magnetic integration, and high efficiency high power density, becomes the focus of research.
In this paper, the working process of the converter LLC resonance is analysed in detail, according to the relationship of switch frequency and the resonant frequency , LLC converter will be divided into three different work area. The the zero voltage switch (ZVS) mechanism is analysed ，two necessary conditions for the switch tube to realize ZVS are put forward, and on this basis the relationship between ZVS and dead –time is analysed.
LLC resonant parameters optimization design is the design emphasis of LLC converter, this paper puts forward the improved the LLC parameter design method: the analytical + figure + simulation three-stage method for accurate parameters optimization design. In this way overcoming the error of FHA method in parameter design. And expanded LLC parameter design method is given in condition with wide range input, the open loop fixed frequency operation.
In this paper, magnetic design of LLC converter are analyzed. Afterword, three over-current protection methods are introduced in this paper: Improving switch frequency, Using combined PWM and frequency control and using split capacitor topology. The advantages and disadvantages of the three methods are analyzed. Finally, simulation and experiment tests were performed to verify the discussion.
Keywords：LLC resonant converter，ZVS，parameters optimization design，magnetic design，over current protection
目录
摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT............................................................................................................... II 第1章绪论 . (1)
1.1课题背景及研究的目的和意义 (1)
1.2LLC变换器的国内外研究现状 (2)
1.2.1 LLC变换器的国内外研究发展历程 (2)
1.2.2 LLC变换器的主要研究方向 (5)
1.3本文的主要研究内容 (7)
第2章LLC变换器的谐振工作区域划分及特性分析 (8)
2.1LLC谐振变换器拓扑介绍 (8)
2.2LLC变换器的不同谐振区域的工作过程及特点 (9)
2.2.1 谐振工作点处工作特点 (10)
2.2.2 超谐振区域工作特点 (11)
2.2.3 次谐振区域工作特点 (12)
2.3LLC不同工作区域的仿真及实验波形分析 (13)
2.3.1 谐振工作点处仿真波形分析 (13)
2.3.2 超谐振区域仿真波形分析 (13)
2.3.3 次谐振区域仿真波形分析 (14)
2.3.5 谐振工作点处实验波形分析 (15)
2.4本章小结 (16)
第3章LLC变换器软开关特性及实现条件研究 (17)
3.1LLC的零电压开通过程分析 (17)
3.1.1开关管零电压开通条件一 (17)
3.1.2开关管零电压开通条件二 (19)
3.2零电压开通与死区时间和负载的关系 (20)
3.2.1 满载时死区时间过大对ZVS的影响 (20)
3.2.2 轻载时死区时间过小对ZVS的影响 (21)
3.2.3 ZVS的优点及实现ZVS的注意事项 (21)
3.3零电压开通条件的仿真波形验证与分析 (22)
3.2.1 谐振电流方向错误导致零电压开通失败 (22)
3.2.2 谐振电流过小导致零电压开通失效 (22)
3.2.3 谐振电流方向改变导致零电压开通失效 (23)
3.4本章小结 (24)
第4章LLC变换器的谐振参数优化设计 (25)
4.1LLC变换器的等效FHA电路 (25)
4.2LLC变换器的稳压原理和DC特性 (26)
4.3改进的LLC谐振参数设计方法 (27)
4.3.1 解析计算的步骤介绍 (28)
4.3.2 电感系数K值的确定 (29)
4.3.3 品质因数Q值的确定 (31)
4.3.4 谐振参数及最大最小开关频率的确定 (32)
4.3.5 采用图解分析对解析设计进行修正 (33)
4.3.6 通过仿真对谐振参数进一步优化 (33)
4.4改进的LLC参数设计方法的拓展 (34)
4.4.1 宽电压输入时LLC单区域工作参数设计方法 (34)
4.4.2 开环定频运行LLC参数设计 (37)
4.5本章小结 (38)
第5章LLC变换器磁性元件设计及过载保护研究 (39)
5.1LLC谐振变换器的磁性元件设计 (39)
5.1.1 分立设计 (39)
5.1.2 简单磁集成设计 (39)
5.2LLC软启动及过载保护问题 (41)
5.2.1 过载情况下LLC的工作特性 (42)
5.2.2 增加开关频率 (42)
5.2.3 PFM控制与PWM控制相结合 (43)
5.2.4 采用分离电容式LLC拓扑 (44)
5.3本章小结 (46)
结论 (47)
参考文献 (48)
附录一双区域工作的改进LLC谐振参数设计算例 (53)
附录二仅在次谐振区域工作LLC参数设计算例 (57)
附录三仅在超谐振区域工作LLC参数设计算例 (59)
附录四开环定频运行LLC谐振参数设计算例 (61)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (63)
致谢 (64)
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第1章绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
高效率高功率密度一直是DC-DC变换器设计的要点。提高功率密度最有效的方式就是提高开关频率，高频下的磁性元件体积会大幅度减小，但频率的提高会使开关管的开关损耗加大，对变换器的效率造成影响。如何在高频下减小开关管的开关损耗是DC-DC变换器是否能实现高效率高功率密度的关键，在这种背景下，高频软开关技术逐渐成为研究的热点。
谐振技术属于软开关技术的一种，谐振直流变换器利用谐振电流或电压能够周期性的过零点的特性，可以实现软开关。但由于谐振变换器工作过程相对复杂，变频调压控制和成熟的PWM控制相比在稳定性和可靠程度上略显不足，再加上谐振过程对电流电压的放大作用，诸多缺点使得传统的谐振直流变换器在工业上没有得到广泛应用。直到最近几年，LLC谐振变换器以其优良的特性成为研究的热点，半桥LLC谐振变换器具有结构简单、高效率高功率密度、输出功率大等优点，已经广泛用于大屏幕液晶电视的开关电源、笔记本电脑PC 电源、LED路灯电源、通信电源系统、医疗设备、航空航天等领域[1]；在分布式电源系统中，PFC+LLC两级结构的前端变换器设计已经成为主流，在后端变换器中的负载点电源，电压调节模块（VRM，Voltage regulator module）中LLC 变换器也有一定的应用。
LLC谐振变换器是在串联谐振变换器的基础上增加了一个与负载并联的电感，拓扑见图1-1。LLC谐振变换器主要有以下特点：
（1）通过对谐振参数的合理设置，无论是空载还是满载，宽电压输入状态下，都可以实现开关管的零电压开通（ZVS），满足高效率高功率密度的需要。
（2）在开关频率等于谐振频率处，LLC变换器具有负载不变点特性。理论上此点处的输出电压不随负载变化。而且在此点处变换器效率最高，是LLC 变换器的最佳工作点。
（3）结构简单，易于磁集成。串联谐振电感可以用变压器漏感来代替，并联谐振电感这可以用变压器的原边励磁电感代替。只需要一个谐振电容和变压器就可以实现LLC拓扑的谐振过程，可以进一步提高功率密度。
（4）副边二极管在特定的工作区域（开关频率小于谐振频率区域）可以实现零电流关断（ZCS）。
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图1-1 LLC 谐振变换器拓扑结构[1]
鉴于LLC 具有以上优良特性，可以实现高效率高功率密度的要求。但LLC 谐振变换器软开关机理复杂，工作过程及区域多变，虽然有固定公式帮助谐振参数设计，但如果对LLC 工作特性和软开关机理缺乏理解，在设计过程中可能会遇到开关频率变化过大、软开关失败等问题。
本文针对于对LLC 谐振变换器的基本工作区域、软开关机理和条件、谐振参数优化、磁性元件设计、过载保护等方面做了研究，旨在解决以下几个问题：首先，对于LLC 谐振变换器的软开关问题，传统的开关管零电压开通条件是谐振槽阻抗为感性，这个条件实际上是必要而不充分的，本文从谐振电流角度对软开关条件进行了研究。其次，传统的基于基波分析等效法的谐振参数设计方法存在一定的缺点，本文针对其物理意义不明确，存在误差等缺点对谐振参数设计方法进行了改进。最后，对LLC 变换器的磁集成和过载保护问题进行了研究。
1.2 LLC 变换器的国内外研究现状
本节从两个方面对LLC 谐振变换器的国内外现状进行介绍。首先，从LLC 变换器发展过程的角度，从时间顺序上介绍了国内外领先研究机构对LLC 变换器研究状况，其中包括美国弗吉尼亚国家电力电子中心、韩国科学技术院和浙江大学。之后，本节又从LLC 关键技术的角度，介绍了LLC 变换器的国内外主要研究方向，着重介绍了谐振参数优化设计方法。
1.2.1 LLC 变换器的国内外研究发展历程
下面介绍下国内外领先研究机构对LLC 谐振变换器的研究，包括美国弗吉尼亚国家电力电子中心、韩国科学技术院和浙江大学。三个机构研究的侧重方向各有不同。下面从时间顺序上，介绍下各机构对LLC 变换器主要技术的研究
R o D 1
发展过程。
美国弗吉尼亚国家电力电子中心在LLC谐振变换器的研究方面处于领头地位。2002年，李泽元教授和其学生杨波博士对LLC谐振变换器在分布式电源系统前端变换器的应用进行了全面深入的研究。杨波博士在2002年的博士论文[1]详细的介绍了LLC谐振变换器的工作特性以及优化方法。随后，杨波针对LLC不同方面的优化方法又进行了以下研究：对LLC在分布式电源前端变换器的应用进行了探讨，给出了谐振参数优化设计方法，并将LLC拓扑和移相全桥拓扑，不对称半桥拓扑进行比较[2]；对LLC变换器磁集成设计进行了研究，提出了一种漏感只存在于原边而且可以精确控制的磁集成结构[3]；对LLC变换器的过流保护方案进行了研究，提出了分离电容式LLC拓扑，从拓扑结构上解决了过载问题[4]；对LLC变换器进行了小信号分析，给出了控制器的补偿参数计算方法[5]。
2002-2009年，Dianbo Fu等人对LLC变换器的同步整流、效率优化以及电磁兼容方法等方面进行了细致的研究。Canales F在2002年提出了适用于大功率的定频三电平DC-DC变换器，采用固定频率移相控制，可以实现宽电压输入下的零电压开通，这个拓扑是后来的三电平LLC谐振变换器的原型[6]。在同步整流方面，给出了基于效率最大化的精确的谐振参数优化方法，提出了最大励磁电感值的确定需要保证满足零电压开通条件的思想,给出了明确的参数设计步骤[7]。介绍了1MHz的LLC谐振变换器的设计，提出了新颖的同步整流方法，增添了整流管源漏级相位补偿网络，提高了同步整流的准确度[8]。在效率优化方面，介绍了一种新型的多元件谐振变换器，在LLC拓扑基础上进行改进，减小了谐振槽的环路电流，提高了整机效率[9]。在电磁兼容方面，提出了PFC+LLC两级结构，着重介绍了不对称交错多通道PFC技术以及减少共模干扰减低EMI的方法[10]。分析了LLC谐振变换器的共模和差模噪音干扰，介绍了减轻LLC变换器的EMI的几种方式，详细介绍了双通道交错并联LLC变换器对共模电流的抑制作用[11,12]。
近年来，美国国家电力电力中心的Weiyi Feng等人对LLC变换器的研究集中在数字控制技术，新型控制策略，磁性元件集成技术（IPEM，Passive Integrated Electronics Module）等方面。主要成果如下：介绍了LLC磁性元件的设计，提出了新型的变压器绕组结构，解决了接线柱处和绕组损耗大的问题[13]。介绍了一种同步整流的数字控制方案，采用电流型驱动，通过检测同步整流管漏源电压进行基于FPGA的数字控制[14]。针对LLC在低压大电流应用场合，变压器寄生电容较大的情况，介绍了一种减轻由变压器寄生电容引起电磁
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干扰的方法，提出采用平衡扼流圈来解决EMI的思路[15]。介绍了4通道恒流模式的LLC谐振变换器，做为多通道LED的驱动电源[16]。在高功率密度高效率方面，介绍了不对称半桥结构AHB的磁性元件集成技术，针对PWM控制在掉电保持时间方面存在的问题（也可以说是宽电压输入），又探讨了LLC谐振变换器的磁集成技术，采用LLCT模块，即将励磁电感L m，谐振电感L r，谐振电容C r，变压器T集成为一个模块，极大的提高了功率密度[17]。介绍了一种新型的非隔离LLC谐振变换器，有效减小了的变压器的匝数和副边绕组电流，降低了变压器的损耗[18]。LLC变换器在轻载或空载模式下，对常用的脉冲间歇控制模式进行了改进，提高了轻载效率，降低了输出电压纹波[19]。在新型控制方法方面，介绍了一种新型了控制策略，跟踪谐振频率点，通过消除主开关管与同步整流门级驱动的脉冲宽度差别，使LLC变换器的开关频率始终等于谐振频率，达到最优状态运行[20]；介绍了一种新型的LLC变换器控制方法：采用最优化轨迹控制（SOTC）对变换器在负载切换时进行控制，响应更加准确快速[21]。
另外，韩国科学技术院（KAIST，Korea Advanced Institute of Science and Technology）对LLC变换器的研究也处于世界领先地位。主要成果如下：Gun-Woo Moon等人对LLC变换器宽电压和高电压输入问题，hold-up time问题，寄生参数影响等方面做了非常深入的研究。介绍了一种两相交错并联的LLC 拓扑结构，减小了输出并联电容的数目，降低了输出电压纹波，输出电流由断续变为连续，同时降低了输出同步整流管上的电流峰值，适合低压大电流场合的应用[22]。分析了寄生参数对LLC变换器参数设计的影响，讨论了变压器结电容，变压器副边漏感，副边二极管寄生电容的设计的影响，提出了限制最高开关频率，低Q值设计，添加假负载等改进的方法[23]。对笔记本电脑电源适配器中LLC拓扑的应用进行了研究，针对输出电压需要根据负载电流变化的情况，在两级结构（前级PFC，后级LLC）的基础上，又加入了一个可控电压调节结构(ALVV, Adaptive Link-Voltage Variation)，缩小了频率的变化范围[24]。提出一种PFM+APWM的混合控制方式，正常工作情况下采用变频调压，为满足掉电保持时间，当输出电压减小时，采用不对称脉冲宽度调节方法，这样可以减小频率的变化范围，可以优化磁性元件的设计[25]。对高输入电压，宽输入范围情况下三电平LLC变换器进行了深入研究[26]。对以变压器漏感作为谐振电感的磁集成情况，整流二极管电压尖峰过大情况进行了分析并给出了解决方案[27]。
在国内，浙江大学对LLC谐振变换器的研究处于领先地位，研究方向主要针对于LLC变换器的副边整流结构的优化，包括同步整流方式，倍压整流结构等。主要成果如下：2004年，浙江大学钱照明教授等人提出三电平LLC谐振
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变换器，开关管的耐压为输入电压的一半，适合高压输入的大功率场合[28]。2005年，介绍了一种LLC变换器新型的过流保护方法，附加了一个并联在谐振电容上的变压器电路，这种双变压器LLC变换器有效的限制了过载情况下的电流[29]。在副边整流方面，介绍了倍压整流结构LLC变换器中的应用，输出电容压降降为原来的一半，整流二极管压也降为于输出电压相等，适合高压输出的场合[30]。还介绍了一种新的LLC拓扑副边整流结构，可以使副边二极管的压降变为输出电压的一半[31]。对二极管钳位式LLC拓扑进行了分析，这种拓扑可以有效限制过载电流，但也在参数设计上会带来一些问题[32]。对LLC变换器的数字控制方式进行了研究[33]。对磁集成结构下变压器副边漏感对整流二极管的电压峰值影响进行了研究[34]。介绍了新颖的同步整流方式，通过检测原边电流来实现同步整流[35-37]。
1.2.2 LLC变换器的主要研究方向
LLC变换器的主要研究热点包括：谐振参数优化设计、同步整流方式、磁性元件集成设计、过流保护、新型控制策略、三电平LLC变换器、电磁兼容、降低副边整流二极管压降、数字控制方式、寄生参数影响等，这里主要介绍下谐振参数设计方法的研究现状。
LLC变换器的谐振参数包括谐振电容C r，谐振电感L r，励磁电感L m。基波等效分析（FHA，Fundamental Harmonic Approximation）方法是简化LLC谐振变换器拓扑常用的方法[38]，基于FHA的参数设计方法采用FHA方法将LLC 拓扑转化为基本电路模型，之后对其特性进行分析，计算最优的谐振参数，使拓扑在高效率的基础上能够满足优良的调频调压特性。
学者针对基于FHA的谐振参数优化设计方法进行了很多研究。比较有代表性的成果如下：文献[39]提出了明确的LLC谐振参数设计策略：额定电压输出时，变换器开关频率需要等于谐振频率来保证负载不变特性；输入电压高于额定电压时，变换器工作在开关频率大于谐振频率的区域（超谐振区域）；输入电压低于额定电压时，变换器工作在开关频率小于谐振频率的区域（次谐振区域）。这种设计方法的缺陷在于频率变化会很大。弗吉尼亚电力电子实验室给出一种方法[7]：为减小开关频率变化范围，使LLC只在次谐振区域工作，为追求LLC 变换器的最大效率，尽力降低原边电流，采用了先根据零电压开通（ZVS）条件确定励磁电感L m最大值，再与谐振电感L r与品质因数Q曲线求交点的方法进行参数设计。飞兆半导体公司也给出了设计方案[40]：LLC变换器只在超谐振区域工作，利用变压器的激磁电感和漏磁电感作为谐振元件，在计算增益时，
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同时考虑了变压器次级的漏磁电感。文献[41] 提出了一种基于最优化理论的LLC谐振电路参数设计方法，建立了四种不同目标函数（变换器主回路谐振电流峰值最小，以变换器主回路谐振电流有效值最小，以变换器开关管关断电流最小为目标函数的优化模型，以变换器总损耗最小为目标函数的优化模型）的优化模型，然后利用MATLAB编程求解。文献[42]针对提高谐振槽功率因数可以提高变换器效率对谐振参数进行优化，但是没有考虑到过高功率因数会导致ZVS失效的情况。
但以上提到的FHA基波分析方法是一种等效方法，这种方法只考虑了输入谐振槽电压的基波分量，忽略了谐波分量，基于FHA方法的谐振参数设计存在误差，尤其是在开关频率小于谐振频率的区域。诸多学者对传统的FHA方法进行了改进：上海台达电子中心在2006年提出了基于时域分析的谐振参数设计方法[43]，文中针对开关频率低于谐振频率的情况，根据两个工作模式励磁电流与谐振电流的不同，列写暂态方程，做出更精确的直流电压增益曲线，并和FHA 方法形成的曲线进行比较。而且提出了根据启动时最大开关频率和启动电流确定品质因数Q最大值的思想。飞兆半导体公司提出了基于谐振槽电流波形分析的参数设计方法[44]，给出了次谐振区域下精确的参数设计步骤，设计过程中保证每个设计参数都有公式依据，设计者可以直接代入计算，易于接受和理解。文献[45]针对开关频率低于或者高于谐振频率的情况，对LLC变换器进行了6种不同工作模式的时域分析，制作了更精确的直流电压增益曲线,文献[46]采用了基于数值化非线性系统的优化方法对LLC的谐振参数进行了优化设计，针对谐振电流的正弦和非正弦的不同情况，设目标函数为高效率，做出程序流程图编程求出谐振参数的收敛值（最优值）。文献[47]在对LLC变换器进行理论分析和损耗计算基础上，对参数设计中采用的频域方法（FHA方法）和时域分析方法进行了比较。文献[48]提出将基波分析法和仿真方法相结合的设计思路，即先通过基波分析法大致知道参数的范围，再通过仿真方法对参数进行优化设计。
另外，针对于LLC谐振变换器的不同应用条件，学者们对其谐振参数设计也进行了较多的研究。浙江大学的张彦军等人介绍了LLC应用在0.9V的VRM 情况，对LLC仅工作在超谐振工作区域进行了研究，为保证宽输入条件下输出电压稳定，Q值会设定的很高[49]。浙江大学的施玉祥等人对Boost-LLC的两级结构进行了谐振参数设计[50]，实际上就是开环定频LLC参数优化，以效率最大化原则根据实验做出LLC损耗与激磁电感L m的关系曲线，选择最优励磁电感值L m。
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1.3 本文的主要研究内容
本文主要的研究内容如下：
（1）本文对LLC变换器的谐振工作区域波形进行了详细的分析，根据开关频率与谐振频率的关系，将LLC变换器划分成三个区域：谐振工作点，超谐振区域，次谐振区域。在以上区域划分的基础上，考虑了负载的影响（副边电流会出现连续或断续情况），进一步将超（次）谐振区域细化为连续工作模式（CCM）和断续工作模式（DCM）。采用仿真和实验对以上分析进行了验证。
（2）本文对半桥式LLC谐振变换器开关管实现零电压开通（ZVS）原理进行了分析，针对谐振槽阻抗为感情这一判断条件为充分不必要的情况，从谐振电流角度，提出了开关管实现ZVS的两个条件：谐振电流方向为正、谐振电流足够大。并总结了对ZVS和死区时间与负载的关系，并采用仿真验证。
（3）本文对LLC变换器的参数优化方法进行了研究，介绍了基于基波等效方法（FHA）的参数设计方法，分析了它的稳压原理以及直流电压增益特性。针对FHA方法在参数设计方面的缺点，本文提出了改进的LLC参数设计方法，这种方法采用“解析+图解+仿真”三步结合的方法，首先通过构建函数，求出电感系数K值和品质因数Q值最优值；然后利用MATLAB软件做出直流电压归一化增益曲线，采用图解法对解析结果进行直观的观察与验证；最后利用Saber仿真软件对谐振参数进行进一步优化，修正了FHA方法的误差。之后，本文又对改进的LLC参数设计方法进行了拓展，给出了宽电压输入、开环定频运行两种不同应用条件的LLC参数设计方法，并通过仿真及实验验证设计的正确性。
（4）本文对LLC变换器的磁性元件设计方案进行了探讨：分立设计、简单磁集成设计。其中详细分析了将变压器漏感作为谐振电感的简单磁集成方式的带来的缺点。之后对LLC过载保护与软启动问题进行了研究，分析了LLC 变换器在过载时的工作特性，并研究了三种过载保护方法：提高开关频率；采用脉冲宽度控制和变频控制相结合；采用分离电容式拓扑。分析了其对谐振电流的控制作用及工作特点，并采用仿真验证。
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第2章 LLC 变换器的谐振工作区域划分及特性分析
2.1 LLC 谐振变换器拓扑介绍
半桥式LLC 谐振变换器的主电路结构如图2-1所示。从图中我们可以看出，电路由以下元件构成：两个功率MOSFET 开关管Q 1和Q 2
（占空比都接近于0.5）；谐振电容C r ；并联谐振电感L m （可用变压器励磁电感替代）；串联谐振电感L r ；副边采用中心抽头式整流结构，整流二极管D 1和D 2和输出电容C o 对输出电压进行整流。
图2-1 LLC 主电路结构图
图中谐振电容C r ，谐振电感L r ，励磁电感L m 组成的回路称为LLC 变换器的谐振槽。电路有两个谐振频率，一个是二元件谐振频率1r f ( C r 与L r 谐振），此时副边二极管导通，励磁电感被输入电压钳位（钳位电压为nV o ut ），不参与谐振。
1r f = (2-1)
另外一个谐振频率是三元件谐振频率2r f ，此时副边二极管处于关断状态。励磁电感L m 不再被输出电压钳位，和L r ，C r 一起进入谐振状态。
2r f = (2-2) 可以看出，1r f >2r f 。两个谐振频率的大小差距取决于励磁电感与谐振电感的比（后文称之为电感系数K 值），比值越大，两个谐振频率大小差距越大，反之同样。易知：开关频率大于谐振频率1r f 时，谐振槽输入阻抗始终为感性；开关频率小于2r f 时，输入阻抗始终为容性；开关频率在1r f 和2r f 之间时，输入
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阻抗既有可能是感性，又有可能是容性（取决于负载与谐振参数）。LLC变换器的工作区域通常在谐振槽阻抗为感性的区域。变换器通过调频调压来控制输入电压的稳定。频率增大，谐振元件的阻抗增大，其分担的电压增大，导致输入电压减小；反之亦然。
LLC半桥谐振变换器的两个MOSFET开关管Q1、Q2以50%占空比交替导通（实际上，每个开关管的导通时间在一个开关周期内略小于50%，要设置一个死区时间来避免直通）。输入谐振槽电压为占空比为近50%的方波，大小由0到输入电压V in。方波可以通过傅里叶变换等效为一系列不同频率正弦波的线性叠加，这样就会产生正弦谐振现象。我们在分析LLC变换器时，采用基波等效分析法（FHA），即只考虑输入方波的基波分量，忽略其他次谐波，这样可以有效的将LLC拓扑简化为正弦电路模型，从而用电路理论来进行分析。
输入谐振槽电压的直流分量会被谐振电容C r所吸收，这样保证变压器上无直流分量，避免了变压器饱和。所以谐振电容C r具有双重作用：谐振作用，隔直作用。
2.2 LLC变换器的不同谐振区域的工作过程及特点
LLC谐振变换器有两个谐振频率：当副边二极管其中任何一个导通时，二
f；当副边二极管都关断时，三元件谐振，谐振频率为元件谐振，谐振频率为
1r
f。根据输入输出电压比、输出负载、谐振槽参数的不同，如果副边两个二极2r
管始终交替导通，我们称变换器工作在CCM（连续导通）状态；如果存在一定的时间段，两个二极管都关断，我们称变换器工作在DCM（断续导通）状态。
在CCM工作模式中，谐振电感L m总是被输出电压钳位，它就相当于普通串联谐振电路中的一个感性负载，从来不参与谐振。而在DCM模式，副边二极管都关断，L m不再被输出电压钳位，也变为了谐振槽的一部分，和C r，L r 一起谐振。
本小节讨论了LLC谐振变换器的三种基本的工作区域：谐振工作点、超谐振区域以及次谐振区域。在此基础上，根据负载的变化，将三个谐振区域进一步细分，具体如下：
（1）谐振工作点处，即开关频率f s等于谐振频率f r1，LLC谐振变换器工作在CCM模式，此点效率最高，是变换器的最佳工作点。
（2）超谐振区域，即开关频率f s大于谐振频率f r1的区域。在这一区域里，ZVS始终存在。根据负载的不同，谐振电流会发生变化，可以分为重载CCM 模式与轻载DCM模式。
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（3）次谐振区域，即开关频率f s大于谐振频率f r2而小于谐振频率f r1的区域，这里特指开关管可以实现ZVS的部分。根据负载的不同引起谐振电流的变化，可以分为轻载DCM模式与重载DCM模式。
2.2.1 谐振工作点处工作特点
此处开关频率f s等于谐振频率f r1，LLC谐振变换器工作在CCM模式，具体工作过程简要分析如下：
（1）Q2导通而Q1关断电流由输入源流向谐振槽。Q2的电流由漏极流向源级，D2承受的反向电压为2V o（实际中，由于副边漏感的存在，比2Vo略大）。D1导通，L m被输出电压nV o钳位，不参与谐振，I m线性上升。C r与L r谐振，输入电流I r是频率为f r1的纯正弦波。当I m等于I r时，输出电流为零，因此D1关断。因为谐振频率等于开关频率，此时Q1恰好关断。
（2）Q1与Q2皆关断这段时间是死区时间，Q1和Q2都关断，半桥中心点与地之间的电容放电，提供续流的能量，并在死区时间内将电荷全部释放，电流流过Q2的体二极管，为开关管Q2创造ZVS条件。D2在D1关断之后马上导通，D1两端电压为2V o，L m被输出电压-nV o钳位。
（3）Q1导通而Q2关断Q1导通后，谐振槽电流继续以频率f r1谐振，D2一直导通，直到I r再次等于I m时（此时二者都为负），D2关断，D1马上导通。因为谐振频率等于开关频率，此时Q2恰好关断，接下来进入死区时间。之后的工作状态可以类比状态2分析。
变换器在这一工作阶段有以下特点：
首先，励磁电感L m从来没有参与谐振，流过它的电流是一个三角波。工作在这种状态下的LLC变换器，实际上是一个带着阻感负载（等效电阻R ac与L m 并联）的LC串联谐振变换器。用这种思想来分析LLC会带来很多便捷。
其次，开关频率等于谐振频率时，L r与C r的电压互相抵消为零，相当与输入电压源两端直接接在阻感负载（L m与R ac并联）两端。理想状态下，此时的输出电压只与输入电压和变压器匝比有关，和负载没有关系。所以这一点也被称为负载独立点。实际电路中，由于一些寄生参数（MOSFET的寄生电阻、变压器电阻、副边二极管的等效电阻等），输出电压会随着负载有着微小的变化。
最后，副边二极管D1关断之后，D2马上导通，说明D1上在电流降到零后才出现电压，所以是零电流关断（ZCS）。
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2.2.2 超谐振区域工作特点
在这一区域内，随着负载的减轻，LLC变换器的工作状态会由CCM模式转化为DCM模式。下面分别具体分析下两种工作模式。
（1）Q2导通而Q1关断电流由输入源流向谐振槽。Q1的电流由漏极流向源级，D2承受的反向电压为2V o（实际中，由于副边漏感的存在，比2V o略大）。D1导通，L m被输出电压nV o钳位，不参与谐振，I m线性上升。C r与L r谐振。Q1关断时I r还是大于I m，D1继续导通。
（2）Q1与Q2均关断这段时间是死区时间,Q1和Q2都关断，半桥中心点与地之间的电容放电，提供续流的能量，并在死区时间内将电荷全部释放，电流流过Q2的体二极管，创造ZVS条件。I r下降斜率增大，迅速接近I m，当I r等于I m时，D1关断，之后承受2V o的反压。D2在D1关断之后马上导通，L m 被输出电压-nV o钳位。当Q2零电压导通时，本阶段结束。
（3）Q1导通而Q2关断Q1导通后，谐振槽电流继续以频率f r1谐振，D2一直导通，直到开关管切换。因为开关频率大于谐振频率，Q2关断的时候，谐振电流I r与励磁电流还未达到相等。接下来进入死区时间。之后的工作状态可以类比状态2分析。
变换器在超谐振工作区域有以下特点：
首先，励磁电感L m从不参与谐振，LLC谐振变换器可以看做带有阻感负载的LC谐振变换器。
其次，当Q1关断时，D1还继续导通（I r此时大于I m），当经过死区时间后，Q2导通时，D1才关断（此时I r=I m）。我们知道，当I r与I m相等的时候，副边二极管电流会达到零。所以在超谐振区域重载CCM模式下，副边二极管不能完全实现ZCS，这是超谐振区域的缺点之一。
最后，在超谐振区域，可以看到开关管关断时的电流比较大，所以MOSFET 的关断损耗会较高，这是超谐振区域的缺点之二；超谐振区域，空载时变换器调频调压能力会比较低，这是超谐振区域缺点之三。
当负载变轻时，LLC变换器的工作状态会由CCM模式转化为DCM模式。最主要的区别有以下二点：
（1）与重载时不同，副边二极管可以实现ZCS。I r与I m在Q1关断之前就已经相等，此时副边二极管电流为零。LLC变换器进入断续工作模式（DCM），副边二极管实现ZCS。
（2）随着负载的变轻，谐振槽电流I r不再是正弦波，而是由正弦波逐渐向三角波转变。
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2.2.3 次谐振区域工作特点
在这一区域内，不论负载的轻重，LLC变换器的工作状态总为DCM模式，只是波形略有不同，下面分析下这种工作模式。
（1）Q2导通且Q1关断电流由输入源流向谐振槽。Q2的电流由漏极流向源级，D2承受的反向电压为2Vo（实际中，由于副边漏感的存在，比2V o略大）。D1导通，L m被输出电压nV o钳位，不参与谐振，I m线性上升。C r与L r谐振。在Q2还没有关断的时刻，I r就和I m达到相等，D1由导通变为关断，D2继续关断，此时I m不再受输出电压钳位，与C r，L r共同谐振。当Q2关断时，本阶段结束。
（2）Q1与Q2均关断这段时间是死区时间,开关管Q1和Q2都关断，半桥中心点与地之间的电容放电，提供续流的能量，并在死区时间内将电荷全部释放，电流流过Q1的体二极管，创造ZVS条件。此时，励磁电感L m被输出电压-nV o钳位。当Q1零电压开始导通时，本阶段结束，此刻副边二极管开始导通，开关管和二极管都实现了软开关。
（3）Q2导通且Q1关断Q1导通后，谐振槽电流继续以频率f r1谐振，D2一直导通，直到I r再次等于I m时（此时二者都为负），因为开关频率小于谐振频率，此时开关还尚未切换，此时谐振电流f r2谐振，也就是进入了无功环流阶段。接下来进入死区时间，开关管Q1和Q2都关断，之后的工作状态可以类比2分析。
变换器在这一工作阶段有以下特点：
首先，励磁电感L m不在总被输出电压钳位，电路会出现三元件谐振状态，也就是无功环流状态，无能量传送到副边。变换器工作在DCM模式。这种状态造成变换器的效率的降低。
其次，副边二极管有同时关断的时刻，可以完全实现ZCS。无论是轻载还是重载，在次谐振区域，副边二极管都可以实现零电流关断。
最后，在次谐振工作区域的好处是电压调节能力较强，在宽电压输入下可以有效地控制开关频率变化范围。工作在次谐振区域的缺点是额定输入电压下，变换器可能不工作在谐振点处，造成效率的降低。
当负载逐渐变轻时，谐振电流I r由之前的正弦波形逐渐向三角波转变。变换器工作状态变化不大，依然工作在DCM模式，副边二极管始终工作在ZCS 模式，如果谐振参数正确设置，不论轻载还是重载，开关管始终可以满足零电压开通。
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2.3 LLC 不同工作区域的仿真及实验波形分析
2.3.1 谐振工作点处仿真波形分析
图2-2为谐振工作点处LLC 变换器的谐振槽波形。具体参数设置可以参考附录一，从图中可以看出：
（1）上下开关管的源漏级电压V ds 在驱动电压V gs 的上升沿到来之前就已经下降到零，说明实现了开关管的零电压开通。 （2）谐振槽中，谐振电流I r 为正弦波，谐振电感I m 被输出电压钳位为方波。在谐振槽电压（下开关管源漏级电压）V ds1的下降沿处，谐振电流恰好与励磁电流相交且为正，也说明了软开关的实现。
（3）副边两个整流二极管的电流I d1和I d2交替导通，而且一个二极管电流下降到零之后另一个才开始导通，二极管实现临界的零电流关断。
图2-2谐振工作点处谐振槽波形及软开关情况
2.3.2 超谐振区域仿真波形分析
当输入电压上升时，开关频率会随之上升以保证输出电压不变。此时电路进入超谐振区域，开关频率大于谐振频率。图2-3为LLC 变换器工作在超谐振区域的工作曲线，此时输入电压为35V ，开关频率为260kHz 。从图中可以看出
（1）上下开关管的源漏级电压V ds
在驱动电压V gs 的上升沿到来之前就已
分类号学号2003611310063 学校代码10487 密级 硕士学位论文 LLC串联谐振全桥DC/DC 变换器的研究
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research on LLC Series Resonant Full-Bridge DC/DC Converter Candidate ：Gong Li Major ：Power Electronics and Electric Drive Supervisor：Professor Li Xiaofan Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, P.R.China April, 2006
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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 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，即：学校有权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。本人授权华中科技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□，在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 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
LLC谐振全桥DC/DC变换器设计 摘要：电力电子变压器(PET)作为一种新型变压器除了拥有传统变压器的功能外，还具备解决传统变压器价格高、体积庞大、空载损耗严重、控制不灵活等问 题的能力，值得深入研究。PET的DC-DC变换器是影响工作效率和装置体积重量 的重要部分，本文以PET中DC-DC变换器为主要研究对象，根据给出的指标，对 全桥LLC谐振变换器的主电路进行了详细的设计，主要有谐振参数的设计，利用 磁集成思想，设计磁集成变压器，可以大大减小变换器的体积和重量，并在参数设 计的基础上完成器件的选型。此外，根据给出的参数，计算出各部分损耗，进而计 算出效率，结果满足设计效率的要求。利用PEmag和Maxwell仿真软件设计磁集 成变压器，验证磁集成变压器参数。运用Matlab/simulink对PET中的DC-DC变换 器模型进行仿真分析，并在实验样机上进行实验研究，实验结果验证了DC-DC变 换器的理论研究和设计方法的正确性及有效性。 关键词：电力电子变压器；LLC谐振变换器；损耗分析；磁集成变压器 中图分类号：TD62 文献标识码：A 文章编号： Design of LLC resonant full bridge DC / DC converter Abstract: The Power Electronic Transformer (PET) as a new power transformer,not only has the functions of traditional transformers, but also has the ability to solve the problems of traditional power transformers that the high price, huge volume, prodigious no-load loss and inflexible control, and it is worth in-depth study.The DC-DC converter of PET is an important part of affecting work efficiency, volume and weight of the device. This paper studies the DC-DC converter mainly, then，according to given indexes, main circuit of full-bridge LLC resonant converter is designed in detail, including the design of resonant parameters. And the magnetic integrated transformer is designed with the idea of magnetic integration, which greatly reduces the converter volume, and the selection of devices is completed on the basis of parameters design.In addition, according to the given parameters, losses of each part and the efficiency are calculated. The results meet the efficiency requirements of design. PEmag and Maxwell simulation software are used to design magnetic integrated transformer, and verified the magnetic integrated transformer parameters.Matlab/simulink is used to simulate and analyze the DC-DC converter performance of PET. A prototype of full-bridge LLC resonant converter is developed and system test platform is built according to the theoretical research and simulation results. The correctness and effectiveness of theoretical research and design methods of the DC-DC converter are verified by analyzing the waveforms of the test. Key words:power electronic transformer; LLC resonant converter; loss analysis; magnetic integrated transformer 煤矿井下存在着各种电压等级的电源以及电气设备，供电系统十分复杂。为了满足不同电压等级的要求[1]，目前井下常用传统电力变压器来进行变压和能量传递。这种变压器制作工艺简单、可靠性高，但是其价格高、体积庞大、空载损耗严重、控制不灵活，而且，如果出现电压不平衡、谐波、闪变等现象，无法维护电力设备的正常工作[2]。所以，现在亟待解决的问题是如何保证电气设备在安全工作的情况下，给用户供应可靠稳定的电能[3]。电力电子变压器(PET)应运而生，它除了拥有传统变压器的功能外，还具备解决上述难题的能力，作为一种新型变压器，近年来成为国内外学者研究的热门问题[4-9]。LLC拓扑，作为一种双端谐振拓扑，已经在许多DC/DC功率变换方案中得到应用，但在PET上的应用尚未广泛。本研究将依据LLC全桥DC/DC变换器的原理设计一款PET，利用LLC谐振变换器本身的诸多优势达到提高PET效率的目的。
双向全桥CLLC谐振变换器的混合式控制策略传统能源的日益匮乏,国内生态环境的不断恶化,使得新能源研究迫在眉睫,以风能、太阳能、生物质能为代表的新能源技术正成为能源技术发展的主力军,而其中起着重要作用的电力电子技术也随之快速发展。如何消除开关损耗,降低电磁干扰,提高能量转换效率一直是电力电子技术行业所关注的问题,而作为能量转换关键环节的双向DC/DC变换器自然就成为了解决这些问题的突破点,故研究高效高频的双向DC/DC变换器将变得具有重要意义。 传统LLC谐振变换器作为双向DC/DC变换器中的一个代表,其技术已日趋成熟。而CLLC谐振变换器在继承传统LLC谐振变换器相关优点的基础上,其在谐振网络部分的右侧比传统LLC谐振变换器额外增加了一个电容,这使其正向运行时在正向第二谐振频率点的直流增益小于1,反向运行时在反向第二谐振频率点的直流增益大于1。 让它能更适合应用在正向降压、反向升压的工作环境中。但目前相关文献对其特点分析的过程和深度不充分,本文对其相应的特点进行补充分析。 并为了适应新能源宽范围的输入电压和更多的应用场合,结合变频控制和移相控制各自的特点,采用一种混合控制策略开展实验研究,为CLLC谐振变换器应用研究提供一种控制策略的参考方案。首先,运用基波近似法得出谐振变换器正反向运行时的直流增益和正反向运行时各自的第一、二谐振频率;并分析了全桥CLLC谐振变换器正向变频运行和正向移相运行的工作过程。 再将CLLC谐振变换器与传统LLC谐振变换器进行对比,叙述了两者谐振网络的区别,并分析了CLLC低压侧额外电容在CLLC变换器运行过程中的作用;明确了CLLC变换器正向稳态工作区域。其次对混合控制策略进行了合理性分析,对CLLC