（电力电子与电力传动专业论文）半桥llc4谐振变换器的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nh a l f - b r i d g e l l c 4r e s o n a n t j 1 u 0 n v e r t e r a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y j i a n g x u e a d v i s e d b y p r o f e s s o rg o n gc h u n y i n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： t 夕k 1。一 与副边整流二极管的z c s 特性，且l l c 谐振变换器功率密度高，磁件集成度较高， 优势符合开关电源的发展趋势，在分布式电源系统领域应用广泛。 简单，输 管的z v s 各方面的 本文首先从介绍谐振变换器的发展入手，随之介绍多种结构的l l c 谐振交换器，比较各自 的优劣后进而引出第四类l l c 谐振变换器( l l c - 4 ) 。然后通过对工作在不同频带范围内第四类 半桥l l c 谐振变换器的工作模态分析，从微观角度推导出变换器中谐振网络元件的波形函数表 达式，再通过频域与时域相结合的方式总结一套完整的关于l l c 谐振变换器的参数设计方法。 其次介绍了三种关于l l c 谐振变换器过载保护的方法并着重分析了带辅助变压器的过载限流 法，给出了该限流法中辅助变压器设计步骤。同时本文介绍了减小待机损耗的方法，分析了工 作在突发模式下的l l c 谐振变换器工作模态与轻空载损耗问题。针对l l c 谐振变换器中的主 要磁件变压器，本文分别采用传统立式变压器与平面变压器进行设计，并简要介绍了平面变压 器的特点与交叉换位技术的应用。 本文最后制作一台2 1 0 w l l c 半桥谐振变换器样机，给出主电路与控制电路参数设计步骤， 并分别显示了不同负载下的变换器主要元件的工作波形，验证了理论分析的可行性，并对样机 进行满载时的损耗分析以提出后续的改进点。 关键词：l l c 谐振变换器，参数设计，过载保护，待机突发模式，磁件设计 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l l cr e s o n a n tc o n v e r t e rh a sb e e nr e s e a r c h e dp o p u l a r l yi np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d t h ec h i e fa d v a n t a g e so fl l cr e s o n a n tc o n v e r t e rc o n s i s to fs i m p l es t r u c t u r e ，w i d ei n p u tv o l t a g e ，h i g l l e f f i c i e n c y , h i g hp o w e rd e n s i t y a n dh i g hm a g n e t i ci n t e g r a t i o n l e v e l o w i n gt o t h er e s o n a n t c h a r a c t e r i s t i c si ni t s e l f , t h ec o n v e r t e rc a ns y n c h r o n o u s l yr e a l i z es o f ts w i t c h i n go fp o w e rs w i t c h e so n p r i m a r ya n ds e c o n d a r ys i d ew i t h o u ta d d i t i o n a lb u f f e rc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h ep o i n t sa b o v e ，l l c r e s o n a n tc o n v e r t e rf i t si n t ot h ed e v e l o pt r e n do fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fr e s o n a n tc o n v e r t e ra n dv a r i a b l es t r u c t u r e st o l l cc o n v e r t e ra n dl a y ss t r e s so nt h ef o r t hl l cr e s o n a n tc o n v e r t e r ( l l c - 4 ) a f i e rac o m p a r i s o n t h e n , t h ep a p e ra n a l y s i st h em o d e so ft h ec o n v e r t e rw o r k i n gi nd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n da n dd e d u c e st h e m a t h e m a t i ce x p r e s s i o nt ot h ew a v eo fm a i nr e s o n a n te l e m e n t s o nt h a tb a s i s ，ac o m p l e t e l yi m p r o v e d p a r a m e t e rd e s i g ns t r a t e g yc o m e so u ti nt e r m so ff r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i na n a l y s i s a n d t h e n , t h r e em e t h o d sa b o u tc u r r e n tl i m i t e dt ot h el l cr e s o n a n tc o n v e r t e ru n d e ro v e rl o a dh a v eb e e n i n t r o d u c e da n dt h em e t h o dw h i c hi n v o l v e sa s s i s t a n tt r a n s f o r m e ri si l l u m i n a t e di nd e t a i la sw e l la st h e p a r a m e t e rd e s i g nt o t h em e t h o d m e a n w h i l e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ew a y t od e c r e a s et h es t a n d b yl o s s a n da n a l y s i st h em o d e so f t h el l cr e s o n a n tc o n v e r t e rw o r k i n gu n d e rl i g h to rn ol o a d a f t e r w a r d s ，t h e t r a n s f o r m e ri sd e s i g n e dr e s p e c t i v e l ye m p l o y e dt r a d i t i o n a ls h a p ea n dp l a n a rs h a p e a tt h ee n do f t h ep a p e r , a2 1 0 wl l c h a l f - b r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e rp r o t o t y p ei sb u i l tu p ，w h i c h i n v o l v e sd e t a i l e dp a r a m e t e rd e s i g na n dc o n t r o lc i r c u i td e s i g n v a r i a b l ew a v eg r a p h su n d e rd i f f e r e n t l o a dd i s p l a yt ov e e r yt h ef e a s i b i l i t yo ft h et h e o r e t i c a ls t r a t e g y f i n a l l y , t h el o s sa n a l y s i st or a t e dl o a d i sg i v e na n dt h eo u t c o m el e a d st ot h es u b s e q u e n ti m p r o v e dr e s e a r c h k e yw o r d s ：l l ch a l fb r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e r , p a r a m e t e rd e s i g n , p r o t e c t i o nu n d e ro v e rl o a t , s t a n d b ym o d e ，m a g n e t i cd e s i g n 一 一 少 r _ l 、 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 分布式电源系统简介1 1 1 1 分布式电源系统的结构与种类。1 1 1 2 分布式电源的特点与运用2 1 2 谐振变换器在分布式电源系统中的应用2 1 2 1 谐振变换器的发展概述。3 1 2 2 谐振变换器的种类。3 1 3 l l c 半桥谐振交换器发展综述4 1 3 1l l c 谐振变换器的种类4 1 3 2 第四类l l c 谐振变换器6 1 4 本文研究的主要目的和内容7 第二章半桥l l c 谐振变换器8 2 1 半桥l l c 谐振变换器的结构8 2 2 半桥l l c 谐振变换器的工作原理9 2 2 1 厶 下的工作模态分析l o 2 2 2 耻下的工作模态分析。l l 2 2 3 两种频带内变换器工作性能的比较13 2 3 半桥l l c 谐振变换器的参数设计。1 4 2 3 1 几个重要的参数1 4 2 3 2 关于l l c 半桥谐振变换器的参数表达式的分析推导1 5 2 3 3 半桥l l c 谐振变换器参数设计流程2 l 2 3 42 1 0 w 半桥l l c 谐振变换器的参数设计2 2 2 4 本章小节2 3 第三章l l c 半桥谐振变换器的过载保护与空载节能问题的研究2 4 3 1l l c 谐振交换器的过载保护2 4 3 1 1 增加开关频率限流法。2 4 3 1 2 带箝位二极管限流法2 6 3 1 3 带辅助变压器的过载保护法一2 8 3 2 减小l l c 谐振变换器的待机损耗3 3 i ，l r l l l 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 3 2 1 影响待机损耗的因素3 3 3 2 2 降低开关频率的方法3 3 3 2 3 突发模式下l l c 半桥谐振变换器的工作原理一3 5 3 2 4 突发模式下l l c 半桥谐振变换器的损耗分析3 8 3 3 本章小节4 0 第四章半桥l l c 谐振变换器的磁性元件设计4 l 4 1 半桥l l c 谐振交换器变压器与电感设计4 l 4 1 1 半桥l l c 谐振变换器变压器设计4 l 4 1 2 半桥l l c 谐振变换器谐振电感设计4 3 4 2 平面变压器4 4 4 2 1 平面变压器的特点与运用4 4 4 2 2 平面变压器的特性研究4 5 4 2 3 平面变压器的损耗模型4 6 4 2 4 平面变压器交叉换位技术4 7 4 2 5 平面变压器绕组布局4 8 4 3l l c 平面变压器设计5 0 4 4 本章总结5 2 第五章半桥l l c 谐振变换器的实验研究5 3 5 1 半桥l l c 谐振变换器的参数设计5 3 5 1 1 谐振网络参数5 3 5 1 2 主电路器件选择5 3 5 1 3 控制电路参数设计5 4 5 1 4 过载保护电路设计5 6 5 2l l c 半桥谐振变换器实验结果。5 7 5 2 1 谐振电感电流i l f 5 7 5 2 2 开关管电压波形5 8 5 2 3 副边整流二极管电流波形5 9 5 2 4 增大输入电压后谐振电感电流波形与m o s 管电压波形6 0 5 2 5 超轻载时的谐振电感电流及m o s 管电压波形。6 l 5 2 6 过载时的谐振电容电压及电流波形6 2 5 3 损耗分析6 2 5 3 1 变压器损耗分析6 3 i v 一 1 ， 王-，l， - _ 6 4 6 5 6 5 6 6 6 6 6 7 5 5 本章小节6 9 第六章总结与展望7 0 6 1 本课题主要内容总结7 0 6 2 后续工作展望7 0 参考文献7 2 致谢7 5 在学期间发表的论文及参与完成的项目：7 6 v 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 图表清单 图1 1 交流分布式电源结构框图。 图1 2 直流分布式电源系统结构框图j 图1 3 谐振变换器的四种结构 图1 4 第l l 类l l c 谐振变换器拓扑4 图1 5 第1 1 类l l c 谐振变换器增益曲线图4 图1 6 第1 3 类l l c 谐振变换器拓扑5 图1 7 第17 类l l c 谐振变换器拓扑5 图1 8 常见的三类l l c 半桥谐振交换器拓扑6 图2 1 半桥l l c 谐振变换器原理图8 图2 2 半桥l l c 谐振变换器等效电路9 图2 3 容性阻抗时的电压电流相位示意图9 图2 4f m 时主要元件波形图1 0 图2 5f m 时各模态等效电路图l l 耻时主要波形l2 时各模态等效电路图1 2 两种频带下整流二极管的电压电流波形1 3 不同谐振电感系数下直流增益曲线1 6 0 不同品质因数下直流增益曲线1 7 l 谐振槽路元件波形1 8 2 直流增益曲线图2 3 l l c 谐振变换器过载保护电路2 4 保护电路中各节点电压仿真波形2 5 带箝位二极管限流保护的l l c 谐振变换器2 6 具有限流保护功能的半桥l l c 谐振变换器等效电路图2 7 具有限流保护功能的半桥l l c 谐振变换器主要波形原理图2 7 带辅助变压器的l l c 半桥谐振变换器2 9 带辅助变压器的l l c 半桥谐振变换器等效电路图2 9 带辅助变压器的l l c 半桥谐振变换器主要波形3 0 0 脉冲跳跃模式下的触发脉冲波形3 4 3 4 3 4 3 6 图3 1 4 突发模式下l l c 谐振变换器的主要工作波形3 7 图3 1 6 突发模式下的模态一等效电路3 8 图4 1 平面变压器绕组剖面图4 5 图4 25 0 0 k h z 时不同绕组间距的漏感值4 5 图4 35 0 0 k h z 时不同绕组间距的交流阻抗值4 5 图4 4 不同绕组布置下的磁场强度分布4 8 图4 5 两种交叉换位绕组布局4 8 图4 6 带中心抽头平面变压器在采用交叉换位技术时的两种不同的绕组布局4 9 图4 7 两种方案在不同工作状态下单位长度的绕组损耗4 9 图4 8 平面变压器绕组印制半截面图。5 0 图4 9p h i l i pe 3 2 6 2 0 磁心截面尺寸5l 图4 1 0l l c 平面变压器绕组分布图5 2 图5 1 滤波电容c 。电流波形5 3 图5 2l 6 5 9 9 外围控制电路设计图5 4 图5 3 不同负载下谐振电感电流波形i l r 5 8 图5 4 不同负载下m o s f e t 电压波形5 9 图5 5 不同负载下副边整流二极管电流波形6 0 图5 6 增大输入电压后谐振电感电流与开关管电压波形( i o = s a ) 6 0 图5 7 增大输入电压后谐振电感电流与开关管电压波形( i o = 15 a ) 6 0 图5 8 增大输入电压后谐振电感电流与开关管电压波形( i o = 3 0 a ) 6 1 图5 9 负载电流i o = 0 1 a 时的主要波形6 2 图5 1 0i o = 3 7 a 时的主要波形。6 2 图5 1 l 开关管q 1 的电流波形6 5 图5 1 2 满载损耗比例图6 6 图5 1 3 不同输入电压下效率曲线图6 7 图5 1 4 采用平面变压器后的变换器主要波形6 8 图5 1 5 不同串联谐振频率下的直流增益曲线图6 9 表4 12 l o w 半桥l l c 谐振变换器的平面变压器设计结果5 1 v 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 表4 2 传统变压器与平面变压器各电感值对比 表5 1l l c 谐振变换器变压器参数表 表5 2l l c 谐振变换器电感参数表 表5 3 不同输入电压不同负载下开关频率及效率测试数据 气 ， 英文缩写 a c a c d c d c d c d c d p s p f c p 、7 田讧 p f m m o s f e t p c b 注释表 英文全称 a l t e r n a t i n gc u r r e n t a l t e r n a t i n gc u r r e n t t od i r e c tc u r r e n t d i r e c tc u r r e n t d i r e c tv o l t a g et od i r e c tv o l t a g e d i s t r i b u t e dp o w e r s y s t e m p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p u l s ew d t hm o d u l a t o r p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t o r m e t a l0 x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f i e c tt r a n s i s t o r p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 中文全称 交流 交流直流变换 直流 直直变换 分布式电源系统 功率因数较正 脉宽调制 频率调制 场效应晶体管 印刷电路板 i x 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 分布式电源系统简介 电能是伟大的f 1 】。 进入二十一世纪，电力电子技术更是以一种突飞猛进的步伐迈进，人们一面追求快捷及时 的响应速度与最低的功率损耗，一面又最大限度的压缩电源的体积并降低供电电压。对于高效 高功率密度及智能化的期望形成了开关电源发展的永恒趋势。然而，新的挑战已逐渐颠覆了传 统集中式电源系统作用于当今新型电气电子设备的性能表现，取而代之的是一种分布式电源系 统d p s ( d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e i n ) 的应运而生1 2 1 。 1 1 1 分布式电源系统的结构与种类 相比于集中式电源系统，分布式电源系统不再使用统一的直流电源给系统供电，而是对系 统中不同设备、不同电路板、甚至对同一电路板上不同的电路采用不同的电源供电。系统中各 电路的电源相对独立，减少了大电流传输线路，提高了系统的总效率与可靠性，也较容易解决 电磁兼容性问题。分布式电源系统可分为交流分布和直流分布两种基本结构，两者的区别主要 如下【3 l ： ( 1 ) 交流分布式电源系统是由多个a c d c 模块构成，如图1 1 所示。每一个装置配备一个a c i ) c 模块，由于每一个a c d c 变换模块都需具有整流滤波及抑制电磁干扰电路，也意味着交流电 源线围绕整个系统，增加了电磁干扰敏感程度和安全问题，且成本较高，故多用于楼字电信设 备供电系统。 图1 1 交流分布式电源结构框图 ( 2 ) 直流分布式电源系统只包含一个前端a c - d c 模块与后级多个i ) c - d c 模块，如图1 2 所示。 前端将交流电转换为直流电形成直流分布总线。利用直流总线传输到系统中每一个负载板上， 通过上述介绍，对分布式电源系统的构造与特点有了大致的轮廓。以下要讨论关于如何设 计分布式电源系统中的d c d c 模块。尽管d p s 存在很多优点，但是它的设计比较繁琐。首先， 分布式系统需要多级变换，前级与后级之间电压、电流匹配，随着系统变换级数的增多，电源 系统管理任务也相应增大。其次，关于每级拓扑的选择至关重要，根据技术指标要求及负载的 类型，选择合适的拓扑是实现电源系统轻薄化结构与高效率的前提。本课题主要的研究内容即 为谐振变换器在分布式电源系统中的运用。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 1 谐振变换器的发展概述 1 9 7 0 年，美国人f c s e h w a r d z 采用的串联谐振的电流谐振电路将软开关技术首次应用于 谐振变换器，其后根据同样原理提出了在开关上施加的电压为正弦波的电压谐振电路方案【5 】。 2 0 世纪8 0 年代中期，出现了准谐振和多谐振变换器。这些由谐振变换器构成的开关电源的性 能得到了显著改善，主要表现在：高频工作方式实现了元器件的小型轻量化；巧妙利用了电路 中的寄生电容作为谐振网络的一部分抑制了噪声的产生；开关高频化还增大了反馈环路的带宽， 加快了变换器的过渡响应。可见，软开关技术的普及已为电源研发领域的发展提供了坚实的平 台，而谐振变换器作为软开关技术的主要手段已被广泛运用与改进。 1 2 2 谐振变换器的种类 m m 图1 3 谐振变换器的四种结构 谐振变换器，顾名思义由无源器件电感l 和电容c 组成。根据l c 不同的组合方式，谐振 变换器可以分为以下几种形式：l c 串联谐振变换器，l c 并联谐振变换器，l c c 串并联谐振变 换器和l l c 串并联谐振变换器。其拓扑分别对应于图1 3 中( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。 前三种变换器已有大量的文献里研究过它们的特性【6 】1 7 】i 鲫，这里不再赘述。本课题的研究对象为 l l c 半桥谐振变换器。 3 田u二田u 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 1 3l l c 半桥谐振变换器发展综述 l l c 谐振变换器最早起源于二十世纪8 0 年代末，但真正兴起于二十一世纪初。尤 四类l l c 谐振变换器为代表近年来运用非常广泛，是开关电源领域研究的热门拓扑，目 多家电源公司作为主流研发目标。以下将简要介绍l l c 谐振变换器的发展及种类。 1 3 1l l c 谐振变换器的种类 为提高谐振变换器的性能，文献【9 】中根据谐振元件不同的排列组合， 用穷尽的方式给出 了3 8 类具有3 个谐振元件的谐振变流器，其中l l c 谐振变换器共有1 7 类，已被详细研究 的有4 类，图1 3 ( d ) 显示的就是目前被大众广为研究的第4 类l l c 谐振变换器，简称l l c - 4 ， 文献 1 0 】详细总结了l l c - 4 谐振变换器的基本特性，从模块电路功能辨识的角度出发，将该类 变流器拓扑重新统一构建，归纳了基于此结构的功能电路模块准同构拓扑形式。以下将简要分 析其他三类l l c 谐振变换器的特点。 ( 1 ) 第l l 类l l c 谐振变换器 c c h a k r a b o r t ya n dm 1 s h i d a 于2 0 0 2 年在文献【1 1 】中提出的第l l 类l l c 谐振变换器拓扑如 图1 4 所示。该类变换器又名c l 2 - t y p e 型变流器。在这类谐振变换器中，谐振网络由并联电感 k ，串联电感l 。和分压电容c r 构成，且由c ，与k 组成了谐振网络的谐振频率岛。根据电路的 参数可以绘制其直流增益关于品质因数及频率大小的曲线图，品质因数取名为q ，q 的大小与 负载有关，其中负载越大，品质因数越大，图1 5 显示了不同负载下的直流增益曲线。 4 图1 4 第1 1 类l l c 谐振变换器拓扑 f ，竹 图1 5 第1 1 类l l c 谐振变换器增益曲线图 南京航空航天大学硕士学位论文 研究显示，第1 l 类l l c 谐振变换器适合工作在额定负载下，输入电压最小时的滞后功率 因数模式。而当负载减小时，变换器只有一个工作模式，且当负载变大时，变换器输入阻抗会 呈现容性，这时开关管不易实现零电压开通，但是这类谐振变换器中的谐振电感k 可以利用变 压器的漏感实现，可以减小样机的尺寸。 ( 2 ) 第1 3 类l l c 谐振变换器 这一类l l c 谐振变换器出现得较早，是由h a r o l ds e i d e l 于1 9 8 8 年在文献【1 2 】里提出，后 归类为第1 3 类l l c 谐振变换器，又名c l a s sdc o n v e r t e r ，该变换器的结构如图1 6 所示。 u i “ d ld 3 j【jl l 2 - _ 一、_ _ _ 一 _ ? ； 、， i y 2i ) 4 j lj l 图1 6 第1 3 类u 谐振变换器拓扑 谐振网络由l l 、l 2 和c ，构成。与第1 1 类l l c 谐振变换器不同的是，该类变换器中谐振电容与 1 1 类中的并联谐振电感互换了位置。第1 3 类l l c 谐振变换器的主要工作过程大体分为两个阶 段：第一阶段为开关管开关瞬态期间电感能量的储存；第二阶段为整流期间谐振网络呈现电流 源状态。故第1 3 类l l c 谐振变换器相对于传统b o o s t 变换器具有更高功率因数。 ( 3 ) 第1 7 类l l c 谐振变换器 这一类l l c 谐振变换器有r u i l i u 于1 9 9 0 年在文献【1 3 】中提出。它是由普通的l c 串联谐 振变换器演变而来的，其结构如图1 7 所示。由于普通串联谐振交换器在开关频率范围变宽时 控制难度增大，但是串联谐振变换器的直流电压增益低，适合于高频降压输出场合。于是第1 7 类谐振变换器就是在此基础上在谐振电容c r 两端再并联一个电感以克服串联谐振变换器的缺 点，并使得变换器的开关管电压应力降低。 d 1d 3 寻 连 。l j l ，l 。1 。 1 2 -9 ， 、 ： 哞一 。卤 c r i y 2m ；l jl 图1 7 第1 7 类l l c 谐振变换器拓扑 以上介绍的三类l l c 谐振变换器可以说是第四类l l c 谐振变换器的雏形，在实际的实验 中它们也暴露了一些缺陷而没有在科研及产品研发中得到广泛运用。直至本世纪初，由美国弗 5 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 吉尼亚理工大学的y a n g b o 博士首次在其博士论文【1 4 】里系统的分析研究了第四 换器，下面将罗列目前常见的三种第四类l l c 谐振变换器拓扑并从宏观上描述 器的优点。 1 3 2 第四类l l c 谐振变换器 第四类l l c 谐振变换器( l l c - 4 ，通常简称l l c ) 目前最为常见的拓扑为图1 c 1 划 工 口斗 l ( a ) 口l ( c ) 图1 8 常见的三类l l c 半桥谐振变换器拓扑 图1 8 ( a ) 为对称半桥l l c 谐振变换器；图1 8 ( b ) 为不对称半桥l l c 谐振变换器，该变换器在体 积上减少了两个分压电容，但是谐振电容电压峰值为对称半桥l l c 谐振变换器中谐振电容电压 峰值的两倍，这在第二章将详细说明；图1 8 ( c ) 为对称谐振电容半桥l l c 谐振变换器，它是将 谐振电容复制为二取代对称半桥中的分压电容，上下两谐振电容分别在正负半周参与谐振，这 种拓扑通常引用在具有限流保护的l l c 谐振变换器中，具体原理详见第三章。无论是何种结构 的第四类l l c 谐振交换器，它们都具有以下显著的优点： ( 1 ) 结构简单：无需附加缓冲电路只要利用自身的谐振特性即可实现主开关管零电压开通与整 流二极管的零电流关断，完全符合软开关技术的需要； ( 2 ) 效率高：当变换器工作在一定的频带范围内时，同时实现了开关管与整流管的软开关，开 关损耗减小，大大提高了变换器的工作效率； ( 3 ) 功率密度高：变换器利用了变压器激磁电感作为谐振元件的一部分参与谐振，磁集成程度 高。且由于是软开关，工作频率可以大幅提高，从而降低变换器的尺寸，符合开关电源小型轻 薄化的要求； ( 4 ) 输入电压范围宽：采用变频控制策略可在输入电压变化较大时实现输出稳压可调。 6 结构较为理想，不仅易于实现高频化，减小变换器体积，还可以进一步提高系统效率及功率密 度1 1 5 l 。本文将详细研究分析半桥型l l c 谐振变换器，全文主要分为以下几章： 第一章简要介绍了谐振变换器的发展与种类，引出了所要研究的l l c - 4 谐振变换器的优点。 第二章详细分析半桥l l c 谐振变换器的工作原理及工作过程，并从微观上对变换器的主要 参数的波形建立函数解析式，从而推导出参数设计的表达式。 第三章将主要研究l l c 谐振变换器的过流保护及降低空载待机损耗的方法。 第四章对谐振网络中的磁性元件进行设计，介绍了平面变压器的特点及交叉换位技术的优 势，在此基础上设计制作一台l l c 半桥谐振变换器中的平面交压器。 第五章通过制作一台半桥l l c 谐振变换器样机，针对实验结果进行波形及损耗分析，验证 理论分析的可行性。 第六章为总结与展望，总结本课题主要完成的内容并对后续研究做计划。 7 半桥l l c - 4 谐振变换器的研究 第二章半桥l l c 谐振变换器 2 1 半桥l l c 谐振变换器的结构 图2 1 为对称半桥型l l c 谐振变换器原理图。u i 为输入直流电压源，q l 、q 2 为理想m o s 管，d s l 、d a 为分别为q l 、q 2 的体二极管，c 3 、c 4 为q l 、q 2 的寄生电容，k 为谐振电感、c r 为谐振电容，t 为变压器，l m 为变压器的激磁电感，d l 、d 2 为整流二极管，c 。为输出滤波电 容，r l 为负载。 d 1 j 一 上 ： n1 j ； 1。 图2 1 半桥l l c 谐振变换器原理图 l l c 谐振变换器采用的是固定占空比通过改变开关频率大小来调节输出电压的变频控制模 式( p n 田。相比传统的p w m 控制，变频控制由于保持占空比固定更适用于输入电压范围较宽 的场合。而且当系统进入闭环时随着输入电压的加大，频率增大，回路电流减小，使得开关管 的通态损耗减少【1 6 1 。对于变频控制的变换器，工作频率的范围是一个值得研究的内容，不同频 率下变换器的工作性能各不相同。在l l c 谐振变换器中，由于该谐振网络非单一的l c 构成， 固存在不同的特征谐振频率。当变压器向副边传递能量时，其原边电压被输出电压箝位，谐振 槽路中只有谐振电感k 和谐振电容c r 发生谐振，其谐振频率为串联谐振频率： 1 z2 丽 ( 2 1 ) 当变压器不向副边传递能量时，k 、c f 和l m 共同发生谐振，其谐振频率为串并联谐振频率为f m ： 1 厶2 2 7 t i 彳亍芦 ( 2 2 ) h x ( l , + 厶) c ( 2 2 ) 根据和f m ，将l l c 谐振变换器的工作频率范围划分为三个区域：z 厶，厶 z z ， z z 。下面将详细分析各个频带内变换器的工作过程。 g 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 半桥l l c 谐振变换器的工作原理 在分析工作模态之前，先将半桥l l c 谐振变换器的电路结构做一个简化的等效变换，如图 2 2 所示。 l rc r 1 2 图2 2 半桥l l c 谐振变换器等效电路 图2 2 中l 、2 分别连接至图2 1 中原边桥臂两开关管的中点和桥臂分压电容的中点。由于开关 管q l 、q 2 交替导通，故l 、2 端的输入电压为幅值为配2 的正负半周对称的方波。为副边 折算至原边的等效负载。采用基波分析法得到l 、2 端的输入阻抗为： 舻型鲤甍采羰掣 ( 2 3 ) u - c f l p ? + j | r c r ￥“j q 为开关角频率，q22 硝，q2 赤，2 丽1 通过计算可得，当q 时，交换器的阻抗呈感性。而 对于l l c 谐振变换器，通常只将开关频率设定为大于串并联谐振频率f m 的范围内工作，因为 当开关频率小于f m 时，容性电路的特性为电压滞后于电流，如图2 3 所示，此时开关管不能实 现零电压开通。 图2 3 容性阻抗时的电压电流相位示意图 图2 3 中u 1 2 为谐振槽路入端的电压波形，i l ，2 为谐振槽路电流波形。当电流的相位超前于 电压相位时，如当上管q 1 导通时，谐振槽路的输入端电压为阢2 ，此时电流方向亦为正，即 从l 端流向2 端。而对于m o s 管而言，实现零电压开通的前提是在场效应管导通前电流先注 入其反并体二极管，而此时正向流经的电流是无法通过q 1 的反并二极管d s l 的，所以在l l c 谐振变换器的谐振槽路输入阻抗呈现容性时，无法实现开关管的零电压开通，故这个频带的工 9 作过程不再 2 2 1 f m 图2 4 形，电流电 谐振电感电 图2 5 为各模态等效电路图。 l l ) 一弋、份 ： ) zi 弋弋 弋 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 ) 模态三i t 2 ，t 3 】 如图2 5 ( c ) 所示，在t 2 时刻，谐振电感电流与激磁电感电流相等，副边整流二极管d l 零 电流关断。从t 2 时刻起，谐振电感k ，谐振电容c f 和变压器激磁电感l m 共同开始谐振，振荡 频率为f m ，由于f m 较小，