论文题目：LLC半桥谐振变换器的研究
专
业：电力电子与电力传动
（签名）
（签名）
摘
要
硕 士 生：战 美
指导教师：刘树林
谐振变换器与硬开关
PWM
变换器相比，具有开关频率高、效率高、关断损耗小、
½积小、EMI 噪声小、开关应力小等诸多优点。谐振拓扑的种类很多，其中
LLC
谐振
变换器具有原边开关管易实现全负½½范围内的
ZVS，次级二极管易实现 ZCS，以及输入
电压范围½等优点，因而得到了广泛的关注。
本文讨论了½开关技术的种类和其发展趋势，对串联、并联以及串并联三种传统的
½开关谐振变换器进行了理论分析，并对其优缺点进行了总结。
然后，对在传统LC谐振
变换器基础上增加一个并联电感构成的LLC半桥谐振变换器的工½区域进行了划分，根
据两个谐振频率f
w
（串并联谐振频率）及f
o
（串联谐振频率）
，可将其分为三个工½区域，
通过对不同区域工½原理进行的深入分析，得出了工½在两个谐振频率间的LLC半桥谐
振变换器½够实现原边开关管和副边侧整流二极管的½开关。基于FHA（一次谐波分析
法）的方法对LLC半桥谐振变换器的增益特性进行了深入的探讨，并由此总结推导出了
一种谐振参数设计方法。同时还分析了变换器的空½½特性以及短路特性。
基于上述理论分析及提出的设计方法，研制了一台基于L6599的LLC半桥谐振变换
器样机。对该样机进行了试验测试，对测试结果进行了分析，验证了理论分析的正确性
和所提出设计方法的可行性。
关 键 词：LLC
半桥谐振变换器；½开关；脉冲½度调制；参数设计
研究类型：应用研究
Subject
：Research
on LLC Half-Bridge Resonant Converter
Specialty
：Power
Electronics & Power Drives
Name
：Zhan
Mei
(Signature)
(Signature)
ABSTRACT
Resonant converter has the advantage of higher operation frequency, higher efficiency,
lower switching loss, smaller volume, lower EMI noise and lower switching stress compared
with the PWM converter. Resonance topology is a lot of more phyletic, the LLC resonant
converter has the primary side switch tube easy to realize full load range of ZVS, secondary
diode easy realize ZCS and input voltage range wide, etc. and thus received extensive
attention.
This thesis discusses the kinds of soft switch technology and its development trend,
series, parallel and series-parallel three traditional soft-switching resonant converter are
analyzed theoretically, and the advantages and disadvantages are summarized.
T
hen, in the
traditional LC resonant converter based on adding a parallel inductance LLC half-bridge
resonance converter in the composition of the work area has carried on the classification,
according to the two resonant frequency
f
w
(series-parallel resonant frequency) and
f
o
(series
resonance frequency), it can be divided into three work area, based on the working principle
of the different regions of the in-depth analysis of the work between the two resonance
frequency is obtained LLC half-bridge resonance converter can realize the original side of the
switch tube and vice side of rectifier diode soft switch. Based on FHA(first harmonic
approximation) method for the gain characteristics of the LLC half-birdge resonant converter
has carried on the thorough discussion, and conclusion is deduced a harmonic parameters
design method. Also analyzes the converter of no load and short circuit characteristic.
Based on the above theoretical analysis and design methods, developed a platform based
on L6599 LLC half-bridge resonance converter prototype. Through the prototype is tested and
the results are analyzed, the theoretical correction and the feasibility of design method are
verified.
Instructor
：Liu
Shulin
Key words:
LLC half-bridge resonant converter; Soft-switching; PWM; Design of
Parameters
Thesis
:
Application Research
目
½
目
½
1
绪论
......................................................................................................................................... 1
1.1
本课题研究背景及意义
.................................................................................................. 1
1.2
½内外研究动态及发展趋势
.......................................................................................... 2
1.2.1
谐振变换器发展概述
............................................................................................... 2
1.2.2 LLC
半桥谐振变换器发展综述
.............................................................................. 3
1.3
本课题研究内容与研究目标
.......................................................................................... 6
2
½开关
DC/DC
变换技术及其典型拓扑结构分析...............................................................
8
2.1
概述
.................................................................................................................................. 8
2.2 DC/DC
变换技术.............................................................................................................
8
2.2.1
硬开关技术
............................................................................................................... 8
2.2.2
½开关技术
............................................................................................................. 10
2.3
典型的
DC/DC
变换拓扑...............................................................................................11
2.3.1
移相全桥
DC/DC
变换器........................................................................................11
2.3.2
不对称半桥
DC/DC
变换器...................................................................................
13
2.3.3
串联谐振
DC/DC
变换器.......................................................................................
15
2.3.4
并联谐振
DC/DC
变换器.......................................................................................
17
2.3.5
串并联谐振
DC/DC
变换器...................................................................................
18
2.4
本章小结
........................................................................................................................ 20
3 LLC
谐振变换器的组成及原理
.......................................................................................... 21
3.1 LLC
谐振变换器的整流电路
....................................................................................... 21
3.2
主电路拓扑结构
............................................................................................................ 25
3.3 LLC
半桥谐振变换器的工½原理
............................................................................... 26
3.3.1
开关频率小于串联谐振频率（f
w
<f
s
<f
o
）
............................................................. 26
3.3.2
开关频率大于串联谐振频率（f
s
>
f
o
）
................................................................. 29
3.3.3
开关频率等于串联谐振频率（f
s
=f
o
）
.................................................................. 30
3.4 LLC
半桥谐振变换器的特性分析
............................................................................... 32
3.4.1 FHA
等效电路模型
................................................................................................ 32
3.4.2
谐振½络的电压增益和输入阻抗
......................................................................... 34
3.4.3
h
值的确定
.............................................................................................................. 38
3.4.4
开关管的
ZVS
条件
............................................................................................... 40
3.4.5
空½½特性
................................................................................................................. 43
I
目
½
3.4.6
短路特性
................................................................................................................. 43
3.5
本章小结
........................................................................................................................ 44
4 LLC
半桥谐振变换器的参数设计
...................................................................................... 45
4.1
主电路设计
.................................................................................................................... 45
4.1.1
谐振参数的设计流程
............................................................................................. 45
4.1.2
谐振参数计算
......................................................................................................... 47
4.1.3
主要元件的设计
..................................................................................................... 47
4.2
控制电路设计
................................................................................................................ 51
4.2.1
芯片与典型方框图
................................................................................................. 51
4.2.2 L6599
稳压原理
..................................................................................................... 54
4.2.3
高边驱动升压电路部分
......................................................................................... 55
4.3
本章小结
........................................................................................................................ 57
5 LLC
半桥谐振电路实例及实验结果
.................................................................................. 58
5.1
样机工½原理及结构原理图
........................................................................................ 58
5.2
实验结果及分析
............................................................................................................ 58
5.3
本章小结
........................................................................................................................ 62
6
总结
....................................................................................................................................... 64
6.1
结论
................................................................................................................................ 64
6.2
展望
................................................................................................................................ 64
致
附
谢
.................................................................................................................................. 66
½
.................................................................................................................................. 70
参考文献
.................................................................................................................................. 67
基于
L6599
的半桥谐振变换器主电路图
......................................................................... 70
攻读学½期间发表的论文
.................................................................................................. 71
II
1
绪论
1
绪论
1.1
本课题研究背景及意义
开关电源技术已有几十年的历史，早期产品的开关频率½，成本昂贵，功耗大，仅
用于诸如卫星等尖端电子设备。20 世纪六七十年代相继出现的由晶闸管（可控硅）和其
它分立元件制½而成的开关电源，均因效率½、电路复杂、难于调试等因素而难以普及。
二十世纪七十年代后期，随着集成电路设计与制造工艺水平的不断提高，各种质优价廉
的开关电源专用集成电路相继出现，而其中制造开关电源的新材料、新器件成为开关电
源普及的主要动力。开关电源的频率也不断提高，已从
20kHz
发展到数百
kHz
甚至数
MHz，½开关电源得以广泛应用
[1-2]
。
DC/DC
变换器½为通信电源的主要直流动力，
提高变换器的工½频率½够有效的满
足其对½积、性½、效率和重量的要求。然而，在频率提高的同时开关管的损耗不断增
加、电磁的干扰不断增大、高频的寄生参数和整机的效率不断降½。为了解决开关损耗
以及开关噪声在电路中存在的问题，可以利用辅助换流的手段，从而在保证效率的前提
下，½得开关管的工½频率得到提高，所以谐振变换器的变换效率相对较高。
谐振变换器的基本变换单元是谐振电路，由于电路的谐振½用，½得电压或者电流
½½周期性地通过零点，这样开关器件就½够在零电压或者零电流的条件下导通或者关
断，开关器件实现了½开关，½得开关损耗降½。
近几年来，LLC 谐振变换器以其主电路结构简单，½实现主开关管的零电压（ZVS）
导通，副边侧整流管的零电流（ZCS）关断的½开关技术，设计相对方便，效率较高等
诸多优点，深受人们的青睐。有很多关于
LLC
半桥谐振变换器参数设计方法的研究
[3-6]
，
½其参数的设计大多是以工程经验为背景进行的。变换器的可靠运行、½开关及其½损
耗的实现是以变换器参数的精确设计以及各参数间的配合为前提的；本次设计将对
LLC
半桥谐振变换器的主电路及整流电路的结构进行阐述和分析，结合电路结构的优缺点，
提出本文采用的隔离式谐振电路结构，并对其工½原理和开关模态进行分析，最后通过
制½样机，进行实验，验证理论分析的正确性，凸显
LLC
半桥谐振变换器的优点。
本设计主要对
LLC
半桥谐振变换器展开研究，重点研究以下两个内容：1)
LLC
半
桥谐振变换器
的½开关技术
。
随着变换器
拓扑
结构的日渐成熟，
优化变换器已经成为一
种主旋律，本设计将系统化的设计
LLC
半桥谐振变换器
的谐振参数
，并给出了系统化的
参数设计流程，适½的对有漏感存在的变压器副边侧进行了处理。2)根据常用控制策略
的设计、完成，研究了新型的控制策略，½变换器½够在拥有常规控制策略优点的同时，
也½解决变换器的特殊工½状态，如空½½、短路保护等。因此，本次设计对于快速系统
1
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