电流源型LCL谐振式变换器的研究

1、i 摘要谐振变换器可通过谐振元件的谐振实现开关管的零电压开通或零电流关断，具有较高的效率。由于开关损耗小，变换器可工作在较高频率下，它的体积小，功率密度大。谐振变换器已在dc-dc 变换器中得到了广泛应用，并在不断地发展之中。该毕业设计论文主要研究在一定条件下可实现输出恒流特性的lcl 谐振变换器及其品质因数优化设计，最后设计出基本控制电路。阐述 lcl 谐振变换器工作于恒流源模式下的工作过程及其实现恒流特性的原理。仿真主电路波形，在一定频率下， 电路能保持横流时负载可以变化的范围，为分析变换器工作于非谐振频率时的特性， 给出不同品质因数下， 开关频率变化时，变换器的电流增益特性曲线及谐振电感

2、电流有效值、电容电压有效值的关系曲线， 并分析得到品质因数的选择对变换器的恒流特性及谐振元件电压电流应力的影响，提出基于品质因数的变换器优化设计方法。lcl谐振式变换器在品质因数等于多少时，工作状况较好。最后，通过对主电路的理解，设计出控制电路。关键词lcl谐振；恒流源；品质因数；控制电路abstract ii abstract resonant converter available through resonant element of resonance of the switching pipe zvs or zero current showdown , relatively eff

3、icient. because switching losses, converter to work at higher frequencies, its small size, power density. resonant converter has been in the dc-dc converter extensively。a lcl resonant converter behaving as a current source in certain condition and its optimization design method was investigated in t

4、his paper. the working process of this topology as a constant current source was analyzed and the principle why this topology could work as a constant current power-supply was presented. to investigate the converter performance when the converter does not work under resonant frequency, the converter

5、 current gains versus switching frequency under different quality factors were presented, andthe relations between resonant inductor currents or resonant capacitor voltage with switching frequency under different quality factors were presented. the influences of quality factor on constant-current ch

6、aracteristic and current or voltage stress of the resonant components were analyzed. then the optimization design method of the converter based on quality factor was proposed. lcl resonant converter in quality factor is equal to the number, the better working conditions. finally, through the underst

7、anding of the primary circuit to make the control circuit. keywordslcl resonant,constant current source,quality factor,control circuit 目录iii 目录摘要. iabstract . ii第 1 章绪论 . 11.1 课题背景 . 11.1.1 国外谐振式变换器研究的情况. 11.1.2 国内谐振式变换器研究的情况. 21.1.3 谐振式变换器的发展概况. 21.2 选题的依据和意义 . 41.3 课题研究的目的和研究的内容. 5第 2 章lcl 谐振式变换器主

8、电路分析 . 72.1 lcl 变换器的工作过程与工作原理 . 72.1.1 lcl 变换器的系统框图 . 72.1.2 lcl 变换器的工作过程 . 72.1.3lcl 变换器的工作原理及其数学公式推导 . 92.2 作为恒流源使用时的参数设计过程. 132.2.1 参数设计公式的推导 . 132.2.2 参数计算 . 152.3 主电路的工作过程仿真研究. 152.4 本章小结 . 20第 3 章变换器品质因数的优化设计. 213.1 品质因数的优化分析 . 213.1.1 品质因数对恒流性能的作用. 213.2 本章小结 . 25第 4 章控制电路的设计 . 264.1 控制电路电流反馈

9、设计 . 264.1.1 反馈电路设计理念 . 264.1.2 具体的设计方案 . 264.2 控制电路芯片设计 . 274.2.1mc34067 芯片的简介 . 27目录iv 4.2.2 mc34067 芯片的外围设计 . 284.3保护电流的设计 . 294.4本章小结 . 30结论. 31参考文献 . 32第 1 章 绪论1 第 1 章绪论1.1 课题背景1.1.1 国外谐振式变换器研究的情况现有的软开关技术方面的文献对软开关零电流和零电压谐振问题的电路分析主要是集中在把谐振过程分为四个独立的阶段（电感充电、 谐振、电容放电、二极管续流）来处理，这主要是因为电路的非线性和运行的复杂性。这

10、种处理方式虽然方便了读者的理解， 但对整个电路的连续运行以及整体把握上却缺乏有效的机制。自 20 世纪 80 年代初美国 vpec 李泽元教授提出谐振式软开关的概念，到 80 年代后期美国威斯康星大学的dmdivan 教授提出谐振式直流环节逆变器和极谐振变换器技术，20 多年来，研究人员围绕这两种基本拓扑相继提出了许多软开关逆变器的拓扑结构。总的来说，逆变器分为硬开关和软开关两类，在硬开关逆变器中， 功率器件直接与电压源和电流源相连，开关电压和电流波形的改变会引起严重的开关损耗，另外由于功率器件存在寄生电容杂散电感， 在开关瞬间会引起很高的电压电流尖峰。它与传统的硬开关电路相比，有着许多明显的

11、优势， 但谐振式软开关技术远末达到成熟的程度，有许多问题值得进一步的研究。 谐振变换器是依靠改变开关网络的工作频率实现对输出量的控制的， 因此它是一种变频控制的谐振型开关调节系统。谐振技术的应用可以方便地得到开关管的驱动信号， 降低电源的体积和成本。除此之外通过调整谐振电容值可以控制振荡器的输出频率，方便地实现高压开关电源的高频化 从而使得高压电源的体积大幅度减小目。相比线性电源，开关电源的效率和噪声也得到了大幅度的改善。高压直流电源广泛应用于军事雷达激光器、 电除尘器、 应加热和医用 x射线等设备。 静感在高压电源中，高压变压器是关键构成部分，由于它二次侧匝数很多， 二次侧对一次侧的匝比很大

12、， 因此呈现出较大的寄生参数，如漏感和绕组电容。 如果将高压变压器直接应用在pwm 变换器中，那么漏感的存在会产生较高的电压尖峰，损坏功率器件， 绕组电容的存在会使变换器有较大的环流，降低了变换2 器的效率 f。而谐振变换器可以利用电路中的寄生参数参与工作，因此它适用于高压直流电源中， 同时谐振变换器可以实现零电压导通或零电流的开通与关断，降低噪声，减小开关损耗，提高开关频率，降低变换器的体积。1.1.2 国内谐振式变换器研究的情况谐振变换器可通过谐振元件的谐振实现开关管的零电压开通或零电流关断，具有较高的效率。由于开关损耗小，变换器可工作在较高频率下，它的体积小，功率密度大。谐振变换器已在d

13、c-dc 变换器中得到了广泛应用，并在不断地发展之中。 在两元件的串、 并联谐振变换器研究基础之上，多元件的谐振变换器，如llc1-5、lcc8等，也逐渐得到应用。目前研究的谐振变换器实现的多为电压源的功能， 对实现恒流源性能的谐振变换器的研究还比较少。而恒流源在商业、工业、医疗等方面已得到日益广泛的应用，例如电容器充电、蓄电池充电、电弧焊、发光二极管的驱动等。电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展, 新技术的出现又会使许多应用产品更新换代 , 还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、 模块化、数字化、绿色化等的实现 , 将标志着这些技术的成熟, 实现高效率用电和高品质用电相结合。这

14、几年 , 随着通信行业的发展 , 以开关电源技术为核心的通信用开关电源, 仅国内有 20 多亿人民币的市场需求 , 吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋, 因此, 同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动, 并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。1.1.3 谐振式变换器的发展概况谐振变换器是使用很广泛的一类软开关，从 1984年美国的 le f c 教授等人提出谐振开关的概念， 用谐振开关单元来代替基本pwm 变换器中的开关单元，形成准谐振、多谐振开关变换器。在这类变换器中，

15、通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦规律变化，从而可以实现零电流或零电压丌关条件。准谐振与多谐振变换器可分为零电压开关准谐振变换器, 零电流开关准谐振变换器 , 零电压开关多谐振变换器 . 谐振变换器可以通过谐振元第 1 章 绪论3 件的谐振实现开关管的zvs 或 zcs，具有较高的效率。由于开关损耗小，变换器可以工作在较高频率下，它的体积小， 功率密度大。 谐振变换器已经在 dc-dc；变换器中得到了广泛的应用，并在不断地发展之中。谐振变换器是依靠改变开关网络的工作频率实现对输出量的控制的，因此它是一种变频控制的谐振型开关调节系统。 谐振技术的应用 可以方便地得到开关管的驱动信号，降低电

16、源的体积和成本。 除此之外 通过调整谐振电容值可以控制振荡器的输出频率， 方便地实现高压开关电源的高频化从而使得高压电源的体积大幅度减小目。 相比线性电源， 开关电源的效率和噪声也得到了大幅度的改善。在 pwm 逆变电路中，常规的硬开关pwm 逆变器的开关频率不能太频繁， 这是因为受到许多因素的制约，例如，开通和关断瞬间产生的电压和电流存在叠加部分， 使器件产生开通损耗关断损耗， 而且这种功率损耗随开关的频率增加而加大。 开通和关断瞬间产生的电压尖峰和电流尖峰使开关器件的波形急剧突变， 开关器件的电流或电压运行轨迹可能超出安全工作区，影响开关的可靠运。 二极管的反向恢复问题： 二极管由导通变为

17、截止时存在反向恢复期， 在此期间内， 二极管仍处于导通状态， 若与其串联的开关器件此时立即开通，容易造成直流电源瞬间短路。产生很大的冲击电流，轻则引起该开关管和二极管损耗急剧加大，重则致使其损坏。 开关器件产生的电压和电流过高， 将产生严重的电磁干扰。 由低压蓄电池组料电池等供电的逆变电源系统， 常采用两级串联电路结构化为隔离通前压电路，将低的电池电压转换成恒定的高压直流母线电压后级为变换器，在这些系统中， 限的电池储能对系统的效率提出了更高的要求即使是中等功率的应用，电池的电流也将达到电池电压的上百倍。 因为电路损耗大多在前级电路上，因此研究如何改善前级电路的效率是非常重要的。 开关电源可通

18、过降低电源部分的损耗，控制小型化所致的温升， 并可通过提高开关频率， 使电容器和变压器等以小型化和低成本方面远赶不上电子设备本身的发展，致使其在电子设备中所占的比例成了当今电子设备中的一个不容忽视的问题。目前研究的谐振式变换器以稳压电源的研究为主，恒流源的研究还比较少。而恒流源在商业、工业、医疗等方面已经得到日益广泛的应用，例如电容器充电、蓄电池充电、电弧焊、发光二极管的驱动等。4 1.2 选题的依据和意义开关电源可通过降低电源部分的损耗，控制小型化所致的温升， 并可通过提高开关频率，进一步使电容器、电感和变压器等得以小型化和低成本化。然而，由于电源的开关频率受到一定限制，在轻量和低成本方面远

19、赶不上电子设备本身的发展， 致使其在电子设备中所占的比例，已成为当今电子设备发展中一个不容忽视的问题。谐振式变换器就是为解决开关电源的这类问题而研究开发的一种电路形式， 已成为当今电源技术中的一个中心课题引起了人们的普遍关注。但是，谐振式变换器在实用方面还有许多有待解决的问题，而且根据谐振式变换器所需技术，在原理上也还有不少难以解决的问题。谐振式变换器可以解决这些电源技术的问题及其有很好的解决前景。但谐振型软开关技术远末达到成熟的程度， 有许多问题值得进一步的研究。比如：如何通过比较简单的拓扑结构实现逆变器的软开关， 同时并不增加开关器件的电压和电流应力；什么样的控制方式更适合于软开关逆变器；

20、怎样设计高频谐振电感更合理， 更有效，怎样制作在大功率、高频率下的电容。谐振变换器是一种适应于高频化电路方式，要使之达到实用就必须解决以下几个问题：第一：频率固定情况下难以直接进行电压调整的问题；第二：开关元件的应力问题；第三：电感和电容的发热问题。其中，电压调整问题最难解决，在电流谐振式里通过开关的电流的宽度和在电压谐振式里加在开关的电压宽度都分别由电路确定。如果开关频率为固定值，要控制占空比，就必须使周期发生变化。 但改变开关频率使伴随开关启闭产生的噪声的频谱发生变化， 就不利于噪声的抑制。 另外，决定变换器尺寸的磁器件和电容器要按最低频率设计， 这样就未必能实现最小化。 因此，在对谐振式

21、变换器进行频率控制时， 要选择负载特性尽可能平坦， 输出阻抗小和输出电压队频率变化敏感的电路方式。对于开关应力问题。 电流谐振式其正弦波输出电流的波形与负载成正比增大，因而半导体开关元件的功耗及其驱动功率会随之增大。电压谐振式在断开状态时， 开关上电压波形的峰值会随负载增大，所以开关要采用高耐压第 1 章 绪论5 元件。对于这些问题， 目前正研究采用辅助开关加以电流或电压钳位，以减轻应力。谐振式变换器除开关元件的应力问题外，同时还有一个加在构成谐振式电路的电感和电容上的重负的问题。尤其重负载时， 会给电感和电容以过压而增大电流振幅， 并因此增大高频损耗。 所以，为控制电感的发热和实现最小化，要

22、开发对高频特性好， 热阻抗低以及能确保一定导磁率和矫顽力的材料。另外，再电容器方面也需要开发对高频拥有充分电流容量和等效串联电阻小的元件。谐振式变换器拓扑是在传统的并联谐振式变换器拓扑上添加了一个附加电感后形成的新型变换器拓扑， 该变换器在一定条件下可以实现输出电流与负载无关的特性。对变换器的品质因数q 进行优化设计，使其可以在更宽的负载范围内实现输出电流的恒定， 并降低了恒流特性对开关频率漂移的敏感性。选择本课题是为了让自己能更好的理解和掌握我们所学的知识，使自己所学的知识运用到实践中去。 研究本课题能使自己更好的了解到谐振式变换器的作用以及变换器给我们生活带来极大的便利。通过对它的研究能使

23、自己知识得到更好的应用， 并能够提高自己的独立思考和实践的能力，为以后能在社会上立足奠定了良好的基础。1.3 课题研究的目的和研究的内容本课题所要研究的 lcl 谐振变换器是一个可实现恒流源性能的谐振变换器，它具有传统谐振变换器的优点， 同时该变换器可通过自身谐振参数的合理设计，在一定工作条件下实现输出电流与负载无关的特性，另外还可实现原边开关管的 zvs，具有较高的效率。一些文献已验证了lcl 变换器的恒流源特性，并提出了相应的控制方式。 本课题除了对最本的电路图仿真和设计，对变换器的品质因数q 进行优化设计，使变换器可在更宽的负载范围内实现输出电流的恒定， 同时保证谐振电感， 谐振电容和变

24、压器在一定范围内，符合变换器的体积和效率上的要求。除此之外， 借此毕设机会提高自己独立思考的能力， 并使自己的学的专业知识能更好的得到应用，通过这一学期的毕设使自己以后能更好的在社会上立足。6 本课题的研究目的就是对lcl 谐振式变换器进行仿真研究分析，并设计出控制电路， 使其能更好的实现横流输出。 因此本课题研究的内容主要有以下几方面：（1）通过查阅资料对lcl 谐振式变换器的工作过程及它作为恒流源工作时的原理分析与参数设计过程。（2）对 lcl 谐振式变换器分段工作过程进行数学推导，并进行主电路开环仿真研究。（3）对品质因数进行分析，通过对曲线的分析来选择合理的q 值。（4）进行各部分工作

25、后，最后合理地设计出lcl 谐振式变换器的控制电路。第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析7 第 2 章lcl 谐振式变换器主电路分析2.1 lcl 变换器的工作过程与工作原理2.1.1 lcl 变换器的系统框图经过查阅资料和对课题的初步研究，对所要研究的课题大体可以构想出如下的系统框图：本系统框图主要用来说明lcl 谐振式变换器的最基本的实现大概意图，是整体的一个框架， 下面所画电路图就是根据此系统框图画出，是整个论文的一条主线。2.1.2 lcl 变换器的工作过程根据上述系统框图可以画出下面的主电路图：直流半桥逆变lcl谐振电路整流滤波电路恒流输出驱动电路系统框图图 2-1 lcl

26、谐振式变换器主电路c1q1q2lrcrlktd3d5d4d6cfruc28 图 1 所示是 lcl 谐振式变换器主电路图， 查阅资料可以知道当电路工作在谐振频率点时 , 主电路才能实现横流输出, 具体的工作过程可以分成6 个模态。具体如下：（1）10ttt。0tt时, 开关管2q 导通,2c 两端的电压加在谐振回路的输入端; 副边整流二极管4d 和5d 处于通态。在2q 导通时 , 逆变器输出端的电流已经反向，由于电感kl 的作用，变压器上的电流方向还没有改变，因此，整流桥还是由4d 和5d 工作。（2）21ttt。1tt时，电感kl 上的电流下降到 0 并开始反向，副边整流二极管4d 和5d

27、 关断，3d 和6d 导通，实现副边的整流，且其中的电流按正弦规律上升至最大值，原边开关管仍是2q 处于通态，继续由2c 两端的电压给谐振回路提供电压。（3）32ttt。2tt时刻，开关管2q 关断，2q 的寄生电容开始充电，1q的寄生电容开始放电，1q 两端的电压下降至0 时内部体二极管1d 导通，这时给的门极加上高电平，实现1q 的零电压开通，开始将1c 上的电压加在谐振回路的输入端，逆变器输出端的电流方向改变。副边整流桥仍是3d 和6d工作。（4）43ttt。3tt时刻，开关管1q 导通，副边整流桥由于kl 的作用还是由3d 和6d 导通。kl 在这个环节主要是储备能量，可以提供副边电流

28、，它虽起不到谐振的作用， 但在各个环节起到了续流的作用，才能使整个电路实现横流输出。（5）54ttt。4tt时刻，电感rl 上的电流在另一个方向上下降到0 并开始反向，副边整流二极管3d 和6d 关断，整流桥由4d 和5d 工作，整流桥上的电流按正弦规律上升，并达到最大值，原边开关管仍是1q 工作。（6）65ttt。5tt时刻，开关管1q 关断，1q 的寄生电容开始充电，2q的寄生电容开始放电，1q 两端的电压下降至0 时内部体二极管2d 导通，此时2q 给的门极加上高电平，实现2q 的零电压开通，重新由2c 上的电压供给谐振回路， 逆变器输出端电流反向并按正弦规律上升。整流桥由于电感kl的的

29、作用仍由4d 和5d 工作。当主电路工作一个循环之后，变换器的工作重复上述6 个过程。第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析9 在实际工作中32 tt和65 tt为开关的死区时间，其实当我们在实际电路设计时，要选择合适的死区时间，死区时间过大，传递的能量减小，变换器的利用率不高；死区时间太小，开关管中的寄生电容没有足够的放电时间，体二极管无法导通， 不能实现开关管的零电压开通，会增加开关损耗， 降低变换器的效率； 而且由于开关开通关断时间的存在，死区时间太小容易造成上下管的直通现象。这样在后期的仿真中要注意， 否则输出结果会有所不同。在整个工作过程中rl 和rc 产生了谐振，当所加频率工

30、作在谐振点频率时，电路就会输出恒流， 当负载在一定的范围变化时，输出的电流在很小的范围内变化或没有变化。 这样此电路才可以作为恒流源使用，要想使此电路能作为恒流源使用，就必须选取较好的参数，尤其是谐振电感和谐振电容，它们在整个电路中起到了举足轻重的作用，在下面将介绍电路是怎样实现恒流输出的，主要用到数学公式的推导。2.1.3lcl 变换器的工作原理及其数学公式推导首先对电路进行等效，把半桥逆变电路等效为一个交流源，把变压器副边的电阻等效原边。如图2：其中半桥逆变输出端方波电压基波分量的峰值为peaku，根据电力电子技术6半桥逆变公式可知，把幅值为du 的矩形波0u 展开成傅立叶级数得：.5si

31、n513sin31sin40wtwtwtuud（2-1）在此试验中主要用到基波则可以得到基波分量的峰值peaku，则我们可以得到其值为：upeakcrlrlkrac图 2-2 交流分析等效电路10 4*peakduu（2-2）负载电阻等效到原边后的等效电阻acr 为：228lacn rr（2-3）设inu 为输入电压幅值，则等效的方波幅值为：2induu（2-4）n 为变压器原边匝数1n 与副边匝数2n 的变比：21nnn（2-5）由于变换器的谐振作用，所以定义变化器的谢振频率0w 及开关频率 w的归一化值nw ，以及等效电路的特征阻抗分别为：01*rrwlc（2-6）0nwww（2-7）*n

32、rrzlc（2-8）特征阻抗是指信号在传输过程中总是看到完全一致的瞬间阻抗，由于在整个传输线上阻抗维持恒定不变我们给出了一个特定的名称来表示特定的传输线的这种特征。 特征阻抗是一个新知道的量， 在此只是做一些简单的讲解。电路的品质因数 q 重要的参数之一，它在主电路的设计中起到了很重要作用。在主电路工作时最后能实现恒流源输出，谐振在此过程中起到了很大的第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析11 作用，则谐振电感比和品质因数的值：lrlrrcwnrnlwq02201（2-9）krnll（2-10）由电力电子技术，根据全波整流可得到：,22*22*8/4*o peako peakouto p

33、eaklluuiinnn rnr（2-11）很容易可知到输出电压的公式为：*outoutluir（2-12）根据图 2 分析以及上面所列公式的关系， 我们可以得到 lcl谐振式变换器的电压增益m的表达式 : 22222222223818()/ /1*8812/ /()12(1)(1)8llkoutrllinkkkrnnnn rn rjwlujwcmn rn runjwljwljwljwcnwjqn wnw由于我们所研究的课题是恒流源输出，所以我们应该推导出电流增益，则可以按照推导电压增益一样， 可以得到我们所要的电流增益， 那么电流增益h的表达式为：2/2/ 2outoutldninniurh

34、n mquzuz（2-14）则把电压增益带入到电流增益中， 可以得到电流增益与归一化频率的关系表达式为：2231(1)(1)8nnnnhwjn wnwq（2-15）在上式我们就可以得到主电路是怎样实现横流源输出的，我们从中可以（2-13）12 知道式中只有参数q与负载lr 有关，因此只要把式中的参数q想法去掉，就可以得到我们想要的得到的结果，在式中，只有当nw 的值为 1 时，参数q就可以去掉，那么电流输出就与负载lr 无关，则可得：28nh（2-16）可见，lcl 谐振式变换器只有在nw 的值为 1 时，才能实现横流源输出，也就是开关频率和谐振频率相等时， 变换器工作在谐振频率点时可实现输出

35、电流与负载无关的性能。lcl 谐振式变换器除了可以实现横流输出，还可以实现零电压开通，那么下面推导一下变换器是怎样实现零电压开通的。由图 2 可得到等效模型的输入阻抗nz ，从输入端看去，就可以得到所要求的，那么可以得到：rlkrklrnjwcrnjwljwcjwlrnjwlz18822222232220811818nnnnnrjwnwqnwwnqjwlw（2-17）根据电力电子技术我们可以得知，当我们设fundu初始相角为 0 时，也就是说逆变器输出端电压相角v的值为00，那么也就是说 lcl 谐振式逆变器输出端电流即为电感rl上的电流，那么可得到此电流为：32222201818182nnn

36、nnrinnfundlnwwnqjwjwnwqlwuzui（2-18）通过电流的式子， 我们可以得到逆变器输出端电流相角，则输出端相角第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析13 为：23222118tan18tannnnnniwnwwnqactnwqwact（2-19）如果要让主电路工作在谐振点时，也就是让电路实现恒流输出， 也就是说nw 的值为 1 时，电路的归一化频率为1 时，这时可以得到逆变器输出端电压电流的相位差公式为：200281arctan09018arctannqnqui（2-20）在上式中可以知道， 要想使主电路实现零电压开通， 那么逆变器输出端的电压应该超前于输出端的电

37、流的相位，也就是说当n取小于 1 的值，电路才能实现零电压开通，其实当作为恒流源使用时，一般取n略小于 1 既可以实现开关管的零电压开通。以上所进行的数学推导就是关于lcl 谐振式变换器怎样实现横流输出和实现零电压开通的数学推导公式。2.2 作为恒流源使用时的参数设计过程2.2.1 参数设计公式的推导作为恒流源使用时，也就是变换器的等效电流增益28nh时，换句话说就是，当电路的频率归一化值为1 时， 那么可以得到如下各元的参数为：在上一节数学推导中可以得知电路的品质因数为：022rnllw lzqn rn r（2-21）在计算中往往q是自己所取得，在下一章将要介绍到它的取值是怎样给电路带来影响

38、的。一般它的取值是较大一点对电路比较好一点。在设计时，一般要求中都会把最终输出电流给出来，这样我们就需要推导出关于输出电流于哪些未知量有关， 由上面的公式的关系可以得到输出电14 流的公式：24outinlluuirnqr（2-22）在设计时， 会让我们求出谐振电路的电感和电容，除此之外，我们还要求出变压器的变比是多少， 这是设计时所必须要求出的未知量，那么在上式中我们可以得到变压器变比为：24()inoutlnuqir（2-23）要求谐振电感和电容， 则需要知道谐振频率， 谐振频率可以很容易知道而除此还需要知道另一个关系式才能解方程组得到所求的未知量，在以上所有式子中可以发现特征阻抗是关于谐

39、振电感和电容的式子，那么我们可以利用这两个式子列方程组，解出所求值。那么谐振频率为：12rrfl c（2-24）特征阻抗为：2nrrlzlcqr n（2-25）联立两式可以得到：谐振电感rl 的值为：212rllqr nf（2-26）谐振电容rc 的值为：212rlcfqn r（2-27）至于电感kl 的值根据设计的要求，也就是零电压开通的要求，只要取略小于rl 的值即可，再根据电感和变压器的设计方法确定具体的磁芯和匝数等一些要求。 以上便是主电路的参数设计的所有公式，下面将进行参数计算。第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析15 2.2.2 参数计算设计 lcl 谐振式恒流源变换器，具

40、体参数要求如下：输入电压：vuudin1002；输出额定负载：5lr（负载可以在 0-5 之间变化）；输出电流：4outi；开关频率：zkf100；品质因数：216q；根据上面所推导的式子，我们可以逐个代入数据可得到所求未知量：24()5 4inoutlnuqir(2-28)2321116*12722*100*10*16*525rlcnffqn r(2-29)232111625*5*20.722*100*1016rllqr nf(2-30)至于电感kl 可根据零电压开通来取值，一般只要取n 略小于 1 的值，所以在此可以取20kl。经过上面的一系列研究我们可以设计出了所要求的主电路图。下面我们

41、将要进行主电路的仿真研究，频率所加为理想的频率。2.3 主电路的工作过程仿真研究主电路仿真因为要加上理想的开关频率，并且开关频率要有死区时间，那么我选择了 pism仿真软件，由于在第二章的开头已经画了一个主电路图，所以在此就直接把仿真图拷过来，可以做到不重复。在主电路图上， 还有两个分压电容和一个滤波电容没有数值，在由于分压电容主要起到了分压作用，可以取较大一点的数值，在此取到了300mf，滤波电容在逐个实验中取到了一个滤波效果较好的电容，在此取到了 10mf，这样所需要进行设计的参数都已经得到，只要进行相应的软件仿真则可以完成理论与实验的结合， 将更好的理解主电路是怎样实现恒流输出的，也更好

42、的把握下一章节进行品质因数的优化设计时所要理解的一些情况。下面将是仿真研究。16 仿真的主电路图如下：由于此 lcl 谐振式变换器主要实现恒流输出，也就是输出电流与负载变化无关，我们先将进行工作过程的仿真研究，在负载变化允许的范围内，我将选取三组不同的负载进行研究。最后将取负载分别为1.25、3和5，给出最后输出电流的波形进行比较，下面是仿真图形。工作过程研究，将取一个负载值，当负载为5时的波形，下面将分别给出逆变器输出端的电压和电流（也就是电感rl ）的波形波形如下：图 2-4 逆变器输出端电压和电流波形图 2-3 仿真主电路图c1=300mfq1q2lr=20.7uhcr=127nflk=

43、20uhtd3d5d4d610mfr=5u=100vc2=300mfvp2/vi/a第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析17 利用仿真软件仿出的波形可知， 主电路电压超前于电流实现了零电压的开关，可见与数学公式的推导是相联系的。在图中可以看到半桥逆变的输出端电压为正负 50v，与理论值相同。在图 5 中还可以看出，电容两端的电压成正弦波形状依此进行充电和放电，谐振电容与谐振电感发生谐振，电感则会出现正弦波形， 它的作用是当vp3/v图 2-5 电容rc的电压波形和电感kl电流波形t/ms i/at/ms 图 2-6 变压器副边的电压和电流波形i/avp4/v18 半桥逆变输出端的电流改

44、变方向时， 它所连接的变压器上的电流不会发生突变，而是逐渐减小， 再变成和半桥逆变输出端电流方向一致，它的缓冲使得整流电路中的二极管依然在导通，即使半桥逆变输出端电流改变时，只有电感上的电流逐渐将为0 时，二极管才会关闭，另两个二极管才能导通。图 6 中，可以看出，变压器之间的电压呈现方波形，电压在正负10v变化，副边电流是正弦波，在经过整流，就会输出恒定的电流。以上波形便是 lcl 谐振式变换器工作过程的波形，我们仔细研究时就会发现它的波形十分符合在2.1.2 中所写的工作过程，在此不在进行赘述，下面我们将选择不同的负载进行仿真，验证lcl 谐振式变换器能否实现在一定负载变化范围内实现恒流输

45、出。课题中所说恒流是指主电路工作在谐振点时，就是工作在理想100khz时，输出端电流的大小，在一定的负载变化时，会有很小的变化，但并不是不变， 也就是说恒流特性是指在很小的范围内变化，但是但我们改变频率时，电流会相应的做出调整，也就是说，频率的微调会更好的调节恒流的输出，要想得到精确的恒流， 就必须进行频率的微调。 负载的变化在一定程度上使得电流发生了变化， 虽然在下面的仿真中并没有看出有多少变化，但当把图形放大时， 我们会发现， 主电路输出的电流时有小的变化，这也是第四章控制电路要设计的理念。图 2-7 主电路输出端电流波形t/s i/a第 2 章 lcl 谐振式变变换器主电路分析19 当负

46、载为3lr时，输出波形如下：当负载25. 1lr时，输出波形如下：负载为 5时的波形在工作过程中已经给出了，在三种情况下我们可以看出 lcl 谐振式变换器确实能实现较好恒流输出，但就是负载不同时，达到稳定的时间有所不同。虽然 lcl 谐振式变换器确实有较好的恒流效果，但这是要求负载在一图 2-8 主电路输出端电流波形t/s i/a图 2-9 主电路输出端电流波形t/s i/a20 定范围内， 当负载变化时， 电路还是工作在谐振点频率下时，电流就会有变化，需要进行频率的微调， 这样才能使电路实现恒流输出，负载范围的大小主要取决于品质因数的选取， 在实际中电路不可能加上理想的开关频率，当频率变化时

47、就直接影响到输出电流的恒定，因此品质因数的选择可以说至关重要，在下一章将简要介绍一下品质因数的优化。2.4 本章小结在这一章分别对主电路的工作过程进行了分析，在此基础上，进行了数学公式的推导，验证了主电路是怎样实现恒流输出的，在后来用 pism 仿真软件对主电路的工作过程进行了仿真， 更好的理解了主电路实现恒流输出的过程。第 3 章 变换器品质因数的优化设计21 第 3 章变换器品质因数的优化设计3.1 品质因数的优化分析在上一章我们已经经过仿真了解到lcl 谐振式变换器具有较好的恒流作用， 但是要使其能在更大的负载范围内并且品质因数的选择还会影响到电感和电容的体积和变换器的效率，下面将逐个进

48、行分析， 由于品质因数的分析需要进行对比才能选择出较好的，我将用到mathcad 数学公式仿真软件进行比较。从上述原理的分析中可看到， 变换器工作在谐振频率点时可实现输出电流与负载无关的特性。 但由于实际电路中， 谐振元件的参数具有分散性，难以精确地确定谐振频率； 另一方面， 控制电路有一定的精度限制， 不能精确地控制在谐振频率点， 所以实际工作中电路的工作频率必然会偏离谐振频率点，为此，需要选择合适的参数， 使变换器在一定的频率偏移范围内保持较好的恒流特性。3.1.1 品质因数对恒流性能的作用关于 mathcad 仿真软件是进行数学公式变量的仿真，这就需要把要进行比较的两个变量的关系式子写出

49、来进行仿真。在第 2 章的数学推导中我们已经推出了一些公式。在进行仿真时必须只存在那两个要进行比较的量，我们要研究的是品质因数的不同会给电路带来什么影响，从而学会怎样选择品质因数， 这次主要是进行研究，在此为了更好仿真，我们把n选为 1，品质因数 q 我们选择其他资料上经常选择的如：28、212、216、230。我将在同一坐标下进行仿真，这样更能清楚地看出当品质因数不同时，对lcl 谐振式变换器的输出电流的的影响， 以及对电感和电容的体积及其效率的影响，经过一系列的仿真对比， 我们将可以分析当品质因数选取多少时，对变换器的负面的影响最小，这样我们在以后的设计中就可以清楚地选择多大的品质因数。首

50、先我将先研究品质因数不同时，变换器的电流增益曲线。 先把关于它们的关系式列出，如下：22 2231(1)(1)8nnnnhwjn wnwq（3-1）利用软件进行仿真则可以得到如下图形：图 10 为变换器的电流增益曲线，从图中可看到，q 值越小则电流增益曲线的顶点在频率越小处出现。 那么当频率漂移时变换器的向上调节电流增益的性能就会变差， 为保证频率漂移后变换器可经过适当的调节就实现输出电流的恒流，在设计时应取大的q 值。另一方面，在一个已经漂移的工作频率下，q 值大的区域曲线之间电流增益的差距小，即在同一工作频率下q值越大变换器的恒流性能越好。然而 q 值的增大会使变换器中部分元件的电压电流应

51、力9-12增大，对变换器的体积及效率有负面作用。 也就是说我们不应该一味的追求品质因数的增大，虽然这样可以使变换器具有更好的恒流效果，但品质因数的变大， 会使其他器件如电感、 电容、变压器承受更大的压力， 从而在设计上体积不得不变大，这样从整体来说，是不合理的。下面将进行关于此方面的仿真。从上一章中交流分析的等效电路中可分析得到谐振电感上的电流有效值及电图 3-10 变换器的电流增益曲线hw82nhw122nhw162nhw302nw第 3 章 变换器品质因数的优化设计23 容上的电压有效值为：322220)1(8181*

52、82nnnnnrinlrnwwnqjwjwnwqlwui（3-2）3222)1(8181*2nnnnincrnwwnqjwqnwjuu（3-3）3220)1 (81*82nnnrinlknwwnqjwqlwui（3-4）图 11-13 分别给出了谐振电感的电流有效值曲线和电容上的电压有效值曲线。在设计中，电感的体积与电感值、流过电感的电流的平方成正比。从图 11 中可看到，当电路工作在谐振频率点时，电感rl 上的电流是最小的，q 值越大，则谐振电感的电流就越大，除此之外，我们在图上还可以看出在偏离谐振频率点的地方，电感rl 和开关管上的电流随着值的q 增大图 3-11 电感 lr 上的电流有效

53、值曲线01.620102030iw302niw162niw122niw82nw24 而增大。图 12 给出的是电感kl 上的电流有效值，从图中可看到，在谐振点时电流的大小与品质因数无关，但偏离谐振点时，其电流值随着q 值的增大而增大。因此变压器原边电流也是随着q 值的增大而增大的。从图 13 可看出，在谐振频率点附近谐振电容两端的电压随着q 值的增大而减小。这样在选择电容时我们应该选择体积较小的，那就是说两端承受的电压应该较小一些。图 3-12 电感 lk 上的电流有效值曲线01.620510152025iw302niw162niw122niw82nw图 3

54、-13 电容 cr 上电压有效值曲线01.62020406080100120140uw302nuw162nuw122nuw82nw第 3 章 变换器品质因数的优化设计25 结合以上分析可得，随着q 值的增大，电感kl 上和变压器原边的电流量增大，由图可得电感量随q 值的增大而减小，但由于电流对电感体积的影响程度比电感量大，所以电感的体积是随着q 值的增大而增大的；另一方面，电感kl 和变压器的铜损也会随着q 值的增大而增大。电容rc 上的电流为kl和rl 的电流差， 也是随着 q 值的增大而增大的， 当 q 值大到一定值以后，电容的等效串联电阻也会产生较大的损耗，影响q 换器

55、的效率。另外，当变换器偏移谐振电感rl 和开关管上的电流都随着频率点工作时，值的增大而增大， 电感rl 会存在与kl 一样的问题， 开关管的导通损耗也会随q值的增大而增加。因此，从体积和效率的角度考虑，应取小的q 值。在选择 q 值时应兼顾变换器的恒流特性总之，与体积、效率，在保证体积和效率满足要求的前提下尽可能取大的q值使变换器的恒流性能更好。所以当要选择品质因数时，应该综合考虑，这样才能选择适当的品质因数。3.2 本章小结在本章主要是通过mathcad 软件仿真对品质因数进行优化仿真，主要是关于品质因数选择对电感和电流的影响，以及对电流输出的影响， 怎样选怎择品质因数在其中起到很重要作用。

56、26 第 4 章控制电路的设计4.1控制电路电流反馈设计4.1.1 反馈电路设计理念由于 lcl 谐振式变换器实现的是恒流输出，那么要进行反馈设计就需要把电流引出来，从而可以与基准值进行比较，那么才能实现真正的控制，用电流进行反馈往往是把电流信号变成电压信号，可以进行电压比较从而实现反馈电路的完成。 把电流变成电压信号望望有两种方法完成，第一种是在负载处加一个小电阻， 把此电阻的电压引出来， 这样可以实现； 第二种是在输出端加一个电流互感器把电流引出来，这样也可以实现。 在此我将采取第一种方法，在负载处加一个小负载。下一步将进行电压反馈控制， 把引出来的电压与基准电压进行比较，在经过 pi 比

57、例积分进行调节，从而再通过此差值电压控制开关频率，实现闭环控制。4.1.2 具体的设计方案电流反馈控制电路如下图所示：在网上查询可知， tl431 内部的基准电压可以在2.5 v 到 36v 之间进行变化，但我们是在输出电阻串上一个小电阻从而引出电压，这个电阻是越小50.6255k1k1k1uf2k2.5k图 4-14 电流反馈电路第 4 章 控制电路的设计27 越好，那么我所选基准电压为2.5 v，lcl 变换器的输出电流为恒流4a，则可以通过计算可知串上的小电阻为：625.045.2r（4-1）通过 pi 比例积分调节器可知，取电阻分别为1k，电容为uf1，则可得它们的比例为 1。其中还有

58、两个电阻是用来控制tl431 和光耦隔离器 ps2501的电流，查阅资料可知道，它们的最大通过电流都为10ma ， 而输出的电压最大为22.5v，则可以很容易得到只要均大于2k即可，则取值如上图所示。4.2控制电路芯片设计在查阅一些资料可以知道， lcl 谐振式变换器的恒流与它的频率有关，则我们需要找一个能控制频率的芯片，在资料查询时，mc34067 是一个比较好的选择，下面将对它进行介绍和外围设计。4.2.1mc34067 芯片的简介mc3406711是一个高性能共振模式控制器芯片，该mc34067 是高性能的零电压开关谐振模式控制器专为待机和直流到直流转换器应用，利用调频常数待机或固定死区

59、时间控制。 这些集成电路功能变频振荡器，一个准确的可重触发定时器， 温度补偿的参考， 高增益全带宽误差放大器， 转向触发器，双高电流输出用于驱动功率mosfet 的理想适合。还包括一个高速组成的故障保护功能比较器和锁存器， 可编程软启动电路， 输入欠压锁定阈值的选择和参考欠压锁定。mc34067 一共有十六个引脚，在此次设计中虽然都要进行设计，但在此只讲一些重要的引脚设计。1 脚和 2 脚是用来设计工作频率的，5 脚是基准电压，12脚和 14 脚是输出具有死区时间上频率， 10 脚是用来故障保护输入端， 11 脚是软启动输入端， 16 脚是用来设计死区时间的。这些是要设计的外围中主要的参数，其

60、他的基本上固定的外围设计。28 4.2.2 mc34067芯片的外围设计先从软启动开始设计， 11 脚是用来设计软启动的，一般来说，在11 脚上一般接一个电阻用来放电或是充电，一般取为uf01.0。振荡器工作频率的设计， 1脚和 2脚是用来设计振荡器工作频率范围的。有下面公式可知道：348.0*1oscpdmixoscctfr（4-2）其中nstpd70，相对于来说，可以忽略不计。其中，我们可以设定其最低和高工作频率为50khz和 200khz，电流最大值根据其内部参数为0.1ma，正常工作频率为100khz，则代入可以得到：krosc96.0（4-3）pfcosc300（4-4）图 4-15