LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的研究

论文摘要

高频化、高功率密度和高效率,是DC/DC变换器的发展趋势。传统的硬开关变换器限制了开关频率和功率密度的提高。移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器可以实现主开关管的ZVS,但滞后桥臂实现ZVS的负载范围较小;整流二极管存在反向恢复问题,不利于效率的提高;输入电压较高时,变换器效率较低,不适合输入电压高和有掉电维持时间限制的高性能开关电源。LLC串联谐振DC/DC变换器是直流变换器研究领域的热点,可以较好的解决移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器存在的缺点。但该变换器工作过程较为复杂,难于设计和控制,目前尚处于研究阶段。本文以LLC串联谐振全桥DC/DC变换器作为研究内容。以下是本文的主要研究工作:对LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的工作原理进行了详细研究,利用基频分量近似法建立了变换器的数学模型,确定了主开关管实现ZVS的条件,推导了边界负载条件和边界频率,确定了变换器的稳态工作区域,推导了输入,输出电压和开关频率以及负载的关系。仿真结果证明了理论分析的正确性。采用扩展描述函数法建立了变换器在开关频率变化时的小信号模型,在小信号模型的基础上分析了系统的稳定性,根据动态性能的要求设计了控制器。仿真结果证明了理论分析的正确性。讨论了一台500w实验样机的主电路和控制电路设计问题,给出了设计步骤,可以给实际装置的设计提供参考。最后给出了实验波形和实验数据。实验结果验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 电力电子技术的概况
• 1.1.1 电力电子变换的基本原理
• 1.2 开关电源和DC/DC 变换器的发展趋势
• 1.3 软开关技术
• 1.3.1 DC/AC 逆变器中的软开关技术
• 1.3.2 DC/DC 直流变换器的软开关技术
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 LLC 串联谐振全桥DC/DC 变换器的基本原理
• 2.1 移相全桥PWM ZVS 变换器的基本拓扑结构和工作过程
• 2.1.1 移相全桥PWM ZVS 变换器的基本原理
• 2.1.2 移相全桥ZVS PWM 变换器存在的缺点
• 2.2 MOSFET 和IGBT 性能比较
• 2.3 LLC 串联谐振变换器工作原理分析和工作区域划分
• 2.3.1 LLC 串联谐振变换器的等效电路和数学模型建立
• 2.3.2 LLC 串联谐振变换器稳态工作区域确定
• 2.3.3 LLC 串联谐振全桥DC/DC 变换器在区域2 的工作过程分析
• 2.4 小结
• 3 LLC 串联谐振全桥变换器小信号建模和控制系统设计
• 3.1 开关电源小信号建模的方法概述
• 3.2 扩展描述函数法建模的基本原理
• 3.3 LLC 串联谐振全桥DC/DC 变换器的小信号建模
• 3.3.1 分段线性化状态方程
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 状态变量x|
• 的选取
• 3.4 LLC 串联谐振变换器小信号模型和稳定性分析
• 3.5 控制器的设计和实现
• 3.6 小结
• 4 主电路和控制电路设计
• 4.1 主电路参数设计
• 4.2 控制电路设计
• 4.2.1 主功率管控制信号产生部分
• 4.2.2 功率驱动，隔离输出和保护部分
• 4.3 小结
• 5 实验结果与分析
• 5.1 实验波形分析
• 5.1.1 实现ZVS 的负载范围
• 5.1.2 副边整流二极管ZCS 情况
• 5.1.3 变换器效率问题
• 5.2 实验结论
• 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录I 攻读硕士期间公开发表的论文