LLC谐振变换器PWM控制策略和同步整流技术研究

1、LLC谐振变换器PWM控制策略和同步整流技术研究 中图分类号:TM461 论文编 号:1028703 12-S170 学科分类号:080804硕士学位论文LLC 谐振 变换器 PWM 控制策略和同步整流技术的研究 研究生 姓名管松敏 学科、 专业电力电 子与电 力传动 研 究 方 向功率 电 子变换 技术 指 导 教 师陈乾 宏 教授南京航空 航天大学 研究生院 自动化学院 二 一 二年三 月Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Automation Engineeri

2、ngAnalysis of LLC Resonant Converter with PWM Control Strategy and Synchronous Rectification A Thesis in Electrical EngineeringbyGuan SongminAdvised byProf. Chen QianhongSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of Engineering March, 2012承诺书本 人 声 明 所 呈 交 的 硕 士 学 位 论

3、文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进行的研 究工作 及取得 的研究 成果。 除了文 中特别 加以标 注和致谢的地 方外, 论文中 不包含 其他人 已经发 表或撰 写过的 研究成果, 也 不包含 为获得 南京航 空航天 大学或 其他教 育机构 的学位或证书 而使用 过的材 料。 本 人 授 权 南 京 航 空 航 天 大 学 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 或扫描等复制 手段保 存、汇 编学位 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:南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要

4、通信、航空 航天 、新能 源发电技术 的飞速发展 使得 开关电源 得到了广 泛的应用。 而电力电子装置小型 化的趋势使 得开关电源 的功率密度 要求日益提 高。 高频化 是提高开关 电源功率密度的基本手段 ,但开关损 耗的增加制 约了效率的 提高。 为了 降低高频化 带来的 高开 关损耗,谐振软开关技术 被人们所提 出 ,谐振变 换器作为 谐 振软开关技 术 的载体而 受到 了人们 越来越多的关注。 相比于其他谐振变换器,LLC 谐振 变换器 在较宽输入和负载条件下均可实现 原边开关管的ZVS 开通和副边整流二极管的 ZCS 关断,效率的优势使其成为了开关电源 研究的热点。LLC谐振变换器常用

5、的控制方式有变频控制(PFM )和 PWM 控制两种。变频控制效率较高 ,但频率 变 化 使得变 换 器 磁性元 件 优 化设计 困 难 。PWM 控制 电路结构简单, 兼 顾 了 变换器 的 调 压 和限流性能, 固定的工作 频率有利于 磁性元件的 设计,可应 用于一些输 入电压范围 不宽,要求电路结构简单的场合。 本文详细讨论了 PWM 控制全桥 LLC 谐振变换器的工作原理, 采用时域分析法分析了变换器的输入输出增益特性 , 通过 Maple 计算得 出输入输出电压关于占空比 D 的增益曲线,同时分析了变换器谐振参数的敏感性, 完成了 390V 输入、60V/60A 输出 变换器 样机的

6、参数设计,样机制作和实验验证。 此外, 为了改善 PWM 控制 LLC 谐 振变换器 的效率特性, 论文对 PWM 控制实验 样机进行了损耗分析,根据损耗分析结果提出 采用变频与 PWM 相 结合的 复合控制策略 和同步整流技术减小 变 换器开关管 导通损 耗 和 二极管 整 流 损耗。 论文 阐述了复合控制 LLC 谐 振 变换 器 工作原理, 详细 分析了复合控制电路对 LLC 谐振变换 器启动、 调压、 限流性 能 的改善, 完成了 复合 控制样机的设计制作和实验验证。 最后, 论文介绍了适用于 LLC 谐振变 换器的同步整流 技术,分析了各方法的优缺点,选择适用于低压大电流 样机的同步

7、整流技术,进行 了实验验证。 关键 词: LLC 谐振变换 器 ,PWM 控制,复合控制,同步整流I LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 ABSTRACT With the development of communication and aerospace technology, switching power supply has been widely applied. The trend of miniaturization of power electronic devices makes power density of switching power supp

8、ly increasing. High-frequency switching is the basic means to improve the power density. However, the increasing of switching losses limits the efficiency of converter. In order to reduce the high switching losses, resonant soft-switching technology has been proposedCompared with other resonant conv

9、erters, LLC resonant converter under wide input and wide load conditions can achieve the primary switch ZVS turning on and secondary rectifier diode ZCS turning off. Advantages of high efficiency make it be taken into consideration widely. LLC resonant converter control methods commonly use pulse fr

10、equency modulation PFM and pulse width modulation PWM. PFM controlling has higher efficiency, while the variable frequency makes it difficult to optimizing converter design. Meanwhile, the circuit structure of PWM control is simple, and gives attention to both converter voltage regulator and current

11、 limitation. Based on stable frequency characteristics, it is favorable to design of magnetic components, which can be applied in limited input voltage range and simple circuit structure required situation. This thesis discusses the working principle of full-bridge LLC resonant converter with PWM co

12、ntrol, and analyzes the converter characteristics of output with time-domain method. The output voltage gain curve is calculated by maple, and prototype with 390V input, 60V/60A output is designed to verify the accuracy of analysisMoreover, to improve the efficiency of the converter, loss analysis i

13、s investigated in detailAccording to loss analysis, this thesis proposes a compound control strategy combining variable-frequency and fixed-frequency mode, which reduce conduction loss of switch. This thesis also proposes synchronous rectifier method, which reduce conduction loss of rectifierThe the

14、sis analyzes the working principle of full-bridge LLC resonant converter with compound control, expound the reform in start-up, voltage regulator, and current limitation, and complete the design of prototype and experiment. In the end, this thesis introduces the synchronous rectifier method fitting

15、for LLC resonant converter, and analyzes the advantages and disadvantages of methodsBased on analysis above, synchronous rectifier method which fits for low voltage and large current situation is pointed out. Besides, experimental results are represented to verify analysisKeywords: LLC Resonant Conv

16、erter, PWM Control Strategy, Compound Control Strategy, Synchronous Rectifier II 南京航空航天大学硕士学位论文目 录第一章 绪论. 1 1.1 LLC 谐振 变换器 1 1.2 LLC 谐振 变换器的应用场合. 2 1.2.1 通信电 源. 2 1.2.2 飞机二 次电源 3 1.2.3 新能源 供电电源3 1.3 LLC 谐振 变换器的研究现状. 3 1.3.1 拓扑结 构研究 4 1.3.2 增益特 性研究 7 1.3.3 控制方 式研究 7 1.3.4 同步整 流技术研究10 1.4 本文研究 意义及内容10

17、 1.4.1 本文研 究意义. 10 1.4.2 本文研 究内容. 11 第二章 PWM 控制 LLC 谐振变换器工作原理及特性分析12 2.1 引言12 2.2 PWM 控制 LLC 谐振 变换器的工作原理. 12 2.2.1 主电路 结构. 12 2.2.2 DT /2 ?T /2 时变换器 工作原理 12 s r2.2.3 DT /2 ?T /2 时变换器 工作原理 15 s r2.3 PWM 控制 LLC 谐振 变换器的基本特性分析18 2.3.1 输入输 出特性分析18 2.3.2 谐振参 数敏感性分析. 20 2.4 PWM 控制 LLC 谐振 变换器样机 设计22 2.4.1 3

18、.6kW 样机参数指标22 2.4.2 3.6kW 样机参数设计23 2.5 3.6kW 样 机实验结果与分析 26 2.6 损耗分析 及 效率优化方法 28 2.6.1 损耗分 析29III LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 2.6.2 效率优 化方法. 32 2.7 本章小结 32 第三章 复合 控制 LLC 谐 振变换器工作原理及实现 34 3.1 引言34 3.2 复合控制 策略的提出34 3.3 复合控制 策略的工作原理及实现 34 3.3.1 调压工 作原理. 35 3.3.2 启动工 作原理. 38 3.3.3 限流工 作原理. 38 3.3.4 复合控 制

19、电路参数设计 39 3.3.5 模式切 换点设置 40 3.4 复合控制 效率特性分析与实验. 41 3.4.1 样机参 数指标. 41 3.4.2 效率特 性分析. 41 3.4.3 实验结 果与分析 42 3.5 本章小结 45 第四章 LLC 谐振变换器同步整流技术研究. 46 4.1 引言46 4.2 LLC 谐振 变换器 同步整流技术介绍46 4.2.1 副边电 流检测同步整流技术. 47 4.2.2 原边电 流检测同步整流技术. 50 4.3 8V 输出 PWM 控制 LLC 谐振变换 器同步整流技术的实现 52 4.3.1 智能芯 片副边电流检测同步整流技术的实现 52 4.3.

20、2 原边开 关管驱动电压检测同步整流技术的实现55 4.4 本章小结 57 第五章 工作 总结与展望. 58 5.1 本文 主要 工作. 58 5.2 下一步工 作58 参考文献59 致 谢 62 在学期间的研究成果及发表的学术论文63IV 南京航空航天大学硕士学位论文图表清单图 1. 1 全桥 LLC 谐振 变换器拓扑原理图1 图 1. 2 LLC 谐振变换 器 增益曲线 2 图 1. 3 通信 电源系统框图. 2 图 1. 4 飞机 电源系统框图. 3 图 1. 5 太阳 能供电系统 框图 3 图 1. 6 半桥 LLC 谐振 变换器拓扑原理图4 图 1. 7 半桥 LLC 谐振 变换器主

21、要波形图4 图 1. 8 半桥 双谐振网络 LLC 谐振变 换器拓扑原理图 5 图 1. 9 半桥 双谐振网络 LLC 谐振变 换器主要波形图 5 图 1. 10 交 错并联半桥 LLC 谐振变 换器 拓扑原理图6 图 1. 11 交 错并联半桥 LLC 谐振变 换器主要波形 图6 图 1. 12 三 电平 LLC 谐 振变换器 拓扑原理图6 图 1. 13 采 用磁放大器调压的多路输出 LLC 谐 振变换器 拓扑原理图. 7 图 1. 14 LLC 谐振变换 器交流等效电路图. 7 图 1. 15 变 频控制驱动信号示意图8 图 1. 16 PWM 控制驱动 信号示意图9 图 1. 17 复

22、 合控制驱动信号示意图 10 图 2. 1 全桥 LLC 谐振 变换器 拓扑原理图 12 图 2. 2 DT /2 ?T /2 时变 换器工作波形 图. 13 s r图 2. 3 DT /2 ?T /2 时变 换器的等效电路 图 错误! 未 定 义书 签 。 s r图 2. 4 DT /2 ?T /2 变换 器工作波形 图15 s r图 2. 5 DT /2 ?T /2 变换 器的等效电路图. 17 s r图 2. 6 增益 随占空比变化曲线 20 图 2. 7 不同 感值下变换器仿真波形 图 21 图 2. 8 不同 容值下变换器仿真波形 图 22 图 2. 9 变换 器 f 0.9 , 1

23、4.2 时增益 曲线23 N图 2. 10 UCC3895 内部 结构图 25 图 2. 11 PWM 控制样机 实物图26 图 2. 12 额 定输入电压不同 输出电流 下变换器主要波形图27V LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 图 2. 13 额定输入电压不同输出电流 下变换器主要波形图错误! 未 定 义书 签 。 图 2. 14 输 出电流 20A 下变换器增益曲线对比 图28 图 2. 15 PWM 控制变换 器 效率曲线 图28 图 2. 16 额 定输入电压不同 输出电流 下变换器损耗分布图31 图 2. 17 输 出电流 20A 不同输入电压下变换器 损耗分

24、布图. 32 图 3. 1 复合 控制 变换器调压电路原理图35 图 3. 2 频率 对应电压 V 曲线 37 FB图 3. 3 设置 裕量区频率对应电压 V 曲线. 37 FB图 3. 4 设置 共同调节区 频率对应电压 V 曲线38 FB图 3. 5 复合 控制 变换器启动电路原理图38 图 3. 6 复合 控制 变换器限流电路原理图39 图 3. 7 频率 对应控制电压测试曲线. 39 图 3. 8 复合 控制 电路样机图. 42 图 3. 9 复合 控制 变换器主要工作波形 43 图 3. 10 复 合控制 变换器效率曲线 44 图 3. 11 复 合控制变换器启动 主要工作波形图.

25、44 图 3. 12 复 合控制 变换器过流主要工作波形图. 45 图 4. 1 采用 SR 整流的全桥 LLC 谐 振变换器拓扑原理图 46 图 4. 2 理想 同步整流驱动信号逻辑图 46 图 4. 3 LLC 谐振变换器 同步整流管双向导通示意图. 47 图 4. 4 副边 电流检测原理图. 48 图 4. 5 带饱 和电感的电流互感器检测原理图 48 图 4. 6 多绕 组电流互感器 检测原理图 49 图 4. 7 单绕 组电流互感器检测原理图 49 图 4. 8 三极 管检测 SR 漏源电压原理图 50 图 4. 9 外并 激磁电感原边电流检测 原理图. 50 图 4. 10 激 磁

26、电流 分离原理图51 图 4. 11 激 磁电流 安匝抵消原理图 52 图 4. 12 智 能芯片 TEA1795 内部结构 图53 图 4. 13 智 能芯片 TEA1795 驱动逻辑 图54 图 4. 14 芯片 TEA1795 同步整流变换器主要 工作波形图. 54 图 4. 15 芯片 TEA1795 输出接至 SR 门极后变换器主要工作波形图 55 VI 南京航空航天大学硕士学位论文 图 4. 16 原 边开关管驱动电压检测同步整流驱动 信号逻辑图. 56 图 4. 17 原 边电压检测同步整流变换器主要 工作波形图 56 表 2. 1 感值 变化谐振频率偏差 量计算值与仿真测量值2

27、1 表 2. 2 容值 变化谐振频率偏差 量计算值与仿真测量值22 表 2. 3 额定 输入电压、不同输出电流下变换器占空比及原副边电流有效值31 表 2. 4 额定 输入电压、不同输出电流下变换器损耗及效率 31 表 2. 5 输出 电流 20A 、 不同输入电压下变换器占空比及原副边电流有效值31 表 2. 6 输出 电流 20A 、 不同输入电压下损耗及效率 32 表 3. 1 输 出电流 20A 、不同输入电压下 复合控制变换器开关频率、占空比及原 副边电流有效值41 表 3. 2 输出 电流 20A 、 不同输入电压下 复合控制变换器主要损耗分布及效率. 42 表 4. 1 智能 同

28、步整流芯片性能对比. 52VII LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 注释表 L 励磁电感 L 谐振电感 m rC 谐振电容 f 两元件串联谐振频率 r rf 三元件串联谐振频率 Q 品质因数 mf Q Q开关频率 开关管s 1 4D D 开关管体二极管 C C 开关管寄生电容 1 4 1 4C 输出电容 R 负载电阻 f LD 占空比 T 开关周期 sT 谐振周期 i 谐振电流 r ri 激磁电感电流 V 桥臂中点电压 m ABV 谐振电容电压 谐振角频率 Cr r I n励磁电感电流峰值 变压器原副边匝比m Z 特征阻抗 V 输入电压 r in V 输出电压 V 电压标

29、幺化 基准 o REF R 电阻标幺化基准 I 电流标幺化基准 REF REF* 角频率标幺化基准 V 标幺化后的电压变量 REF *I 标幺化后的电流变量 M 输入输出电压传输 R 谐振简化电路的等效电阻 谐振角ac f 谐振电感与励磁电感之比 标幺化开关频率N M 最大增益 B 饱和磁通密度 B 磁通密度脉动值 A 磁芯窗口面积 wA 磁芯有效导磁面积 N 变压器原边匝数 e pN 变压器副边匝数 J 电流密度 s 气隙长度 K 磁芯窗口填充 系数 f V V 二极管电压应力 原边开关管电压应力d dsR t 定时电阻 芯片晶振振荡周期T osc C 输出电容 C 门极电容 oss gI

30、原边电流有效值 R 开关管导通电阻 RMS ds-on P 开关管导通损耗 P 开关管关断损耗 mos-con mos-off P 驱动损耗 P 变压器铁损 gs cor-fe R 变压器原边直流电阻 R 变压器副边直流电阻 corp-dc cors-dcVIII 南京航空航天大学硕士学位论文 R 变压器原边交流电阻 R 变压器副边交流电阻 corp-dc cors-acp 变压器原边铜损 p 变压器副边铜损 corp-cu cors-cuP R 谐振电感铁损 谐振电感直流电阻l-fe lp-dcR P谐振电感交流电阻 谐振电感铜损lp-ac lp-cuP 整流二极管导通损耗 V SR 漏源电

31、压 D-on SDt 电流下降时间 f 最高开关频率 f sf 最低开关频率 Z Z 稳压管 smin 1 3I 时基电容的充放电电流 V 运放输出端电压 RT cA A 运算放大器 V 移相控制电压 1 3 FBV i控制电路供电电源电压 互感器副边感应 电流cc LT-si 互感器激磁电流 N 互感器原边绕组 CT 1N 互感器副边绕组 V 关断电压基准 2 regIX 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论1.1 LLC 谐 振变换器 随着电力电子技术的发展,人们对 DC/DC 变换 器功率密度的要求日益提高。高频化是提高 DC/DC 变换器功率密度的基本手段,但开关损耗的增加制约了

32、效率的提高 。 为了降低高频1化带来的高开关损耗,人们开始研究和应用软开关技术,其中包括 谐振软开关技术 。 谐振软开关 技术是利用 电路中电感 和电容元件 谐振,电压 或电流周期 性过零时开 通或关断2开关器件 。这种开关方式显著的减小了开关损耗 , 同 时 避 免 了 器 件 硬 开 关 时 高 的 di/dt 和dv/dt 产 生 的 电 磁 干 扰 , 为 变 换 器 功率密度的提高 创造了条件。 上世纪 80 年代以来, 谐振变3换器作为谐振软开关技术的载体而受到人们的 广泛关注 。 常见的谐振变换器有串联谐振变换器、 并联谐振变换器 以及 LLC 谐振变 换器。 相比于串联谐振变换

33、器和并联谐振变换器,LLC 谐振变换 器 在电路形式上与串联谐振变换器 类似。 不同的是励磁电感 L 的加入使得 LLC 谐振 变换器谐振网络呈现复合谐振特性。 图 1.1 给出了 全桥 LLCm谐振变换器的拓扑原理图,谐振电感 L 、谐振 电容 C 和变 压器励磁电感 L 构成了变 换 器 的 谐r r m振网络。当 原边谐振电 流大于 激磁 电流时,原 边向副边传 输能量,激 磁电感两端 被输出电压箝位,参与谐振的只有谐振电感 L 和 谐振电容 C ,此时的谐振频率为两元件 L 、C 谐振频率 f ;r r r r r当原边谐振 电流与激磁 电流相等时 ,副边整流 二极管截止 ,原边不再

34、向副边传输 能量, 谐振电感 L 、谐振 电容 C 串联 后与激磁电感 L 一起谐振, 此时的谐振频率为三元件谐振频率 f 。 r r m mD D1 4DQ Q 541 C C1 4L Tr r*Cf RL*VinLm*CrD2 D3Q2 C QC2 3 3D6图 1. 1 全桥 LLC 谐振 变换器 拓扑原理图 图 1.2 给出 了 LLC 谐振 变换器 在不同品质因数 Q 下的输入输出增益曲线。由图 1.2 可知:当开关频率 f f 时,变换器工作在容性区域,此情况下,励磁电流将会在开关管关断前反向,s m开关管将不能实现 ZVS 开通;当开关频率 f f 时,变换器工作在感性区域,原边

35、开关管能够s m实现 ZVS 开通; 若将变换器的开关频率进一步限制在 f f f 时, 副边整流二极管可以实现 ZCSm s r关断。综上分析,LLC 谐振变换器主要有以下优点:1 可以在较宽负载范围内实现原边开关管的 ZVS 开通;2 可以在较宽负载范围内实现 副边整流二极管的 ZCS 关断 ,避免反向恢复带来的 损 耗 及 电压 尖 峰 ;3 可 利 用 变 压器 的 漏 感 和励 磁 电 感 来代 替 变 换 器的 谐 振 电 感和 激 磁 电 感 ,1 LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 4减小变换器体积,提高其功率密度 。 3纯阻性曲线Q12 Q2Q10容性 区

36、域 感性区域N100 1 1.5 2f f /fN s r图 1. 2 LLC 谐振变换 器 增益曲线 1.2 LLC 谐 振变换器 的 应用场 合 近几年来在减小电力电子装置体积, 提高功率密度的发展趋势下,LLC 谐振变换 器凭借其软开关、高效率的优势在通信、航空航天、新能源等电源系统中得到了广泛的应用与关注。 1.2.1 通信电源 通信电源是通信 系 统 的 心 脏 , 高 效 、 稳 定 的 电 源 设 备 是 保 证 通 信 系 统 安 全 、 可 靠 运 行5的关键 。图 1.3 给 出 了 通 信 电 源 系 统 框 图 , 为 提 高 系 统 效 率 、 降 低 其 体 积 ,

37、 要 求 变 换 器具 有较高的变换效率和较高的功率密度。此外,为提 高 通信电源对电网电压适应性,防止主备电频繁切换时带来的电压波动, 还 要求通信电源有足够长的保持时间。 在保持时间内,电网电压 下降到最低输入电压前,变换器能够稳定输出。因此,变换器需要能够工作在较宽的输入电压范围内。 48 VDC/DC负载中间电压电网交流输 入前端变换器AC/DC24 V 负载DC/DC图 1. 3 通信 电源系统框图 LLC 谐振变换器输入电压正常时,变换器工作在谐振频率点附近,平稳的增益特性使得输出电压稳定;当电网波动,输入电压下降时,变换器开关频率降低,增益提高维持 输出 电 压 的 稳 定 。

38、高 增 益 的获取保证了电网电压下降时输出电压的稳定,满足通信电源保持时 间 的 要 求 。 同 时 ,LLC 谐振变换器优良的软开关特性,也满足了通信电源高效率、小型化的需求。 2M f N南京航空航天大学硕士学位论文 1.2.2 飞机二次电源 高压直流电源和宽变频交流电源系统由于具有较高的效率,可以适应飞机电源系统大容量的发展需求。这两种电源系统中直流母线电压多为 270V , 但一些机载用电设备并不能直接使用 270V 的直流 电压供电,因此采用二次电源将高压直流电转换为负载所需的电能形式6。这 就 要 求 二 次 电 源 能 够 适 应 高 压 直 流 输 入 , 同 时 满 足 航

39、空 电 源 可 靠 、 高效、 高 功 率 密度 的 要求 。 28V 28 VDC/DC机 载设 备 DC/DC机载 设备270V 高压115V 宽变直 流 电源 12V中间 电压 12 V频 交流 电源 前端 变 换器DC/DC 机 载设 备DC/DC 机载 设备AC/DC3.3 V3.3 VDC/DC 机 载 设备DC/DC 机 载设 备 图 1. 4 飞机 电源系统框图 LLC 谐振变换器适用于高压直流输入的场合,稳定的工作性能满足了航空电源可靠、高 效 的 要 求 。 并 且 相 对 于 移 相 全 桥 变 换 器 ,LLC 谐振变换器拓扑中减少了一个体积较大的输出滤波电感,提高了其

40、功率密度。这些因素使得 LLC 谐振变换器在飞机二次电源系统中也有着良好的应用前景。 1.2.3 新能源供电电源 进入 21 世纪 , 化石能源的日益枯竭迫使人们越来越多的关注可再生 能源的开发和应用, 如燃料电池、 太阳能、风 能等。各种 新能源的应 用 对电能变 换装置提 出 了新的要求 。以太阳能光伏发电为例, 图 1.5 给出 了太阳能供电系统框图。 由于太阳能的能量密度较低且具有不确定性,7因此光伏输出电压变化范围较大 , 这就要求由光伏供电的 DC/DC 变换器能够适应较宽的输入电压,同时在输入电压较低时,能够提供较高的输出增益,满足输出电压的需求。 中间 电压 220VAC母线电

41、 压单向光伏发电 逆 变器 电网DC-DC 变 换器图 1. 5 太阳 能供电系统 框图 考虑到 LLC 谐振变换器能够提供较高的输出增益, 同时能够在较宽的输入电压范围下通过改变开关频率的大小调节增益稳定输出电压, 因此在新能源供电的应用场合也得到了较多的应用。 1.3 LLC 谐 振变换器 的研究现 状 从上文 LLC 谐振变换器应用场合的介绍中可以看出, 高效率、 高功率密度以及能够工作在3 LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 较宽输入电压下的优势使得其有着广泛的应用前景。 但同时 LLC 谐振 变换器也存在着输出电流纹波较大、 输入输出增 益特性分析 困难、输出 大

42、电流场合 整流损耗较 大等问题。 突出的优势以及存在的问题使得 LLC 谐振变换器成为了科研人员研究的热点 , 相关内容的研究可分为拓扑结构、增益特性、控制方式及同步整流技术等几个方面。 1.3.1 拓扑结构研究 LLC 谐振变 换器通常由输入电源、 桥式逆变网络、LLC 谐振网络、 变压器、 整流滤波网络和负载组成 。尽管变换 器谐振网络 固定,但是 不 同桥式逆 变网络、不 同整流网络 以及各网络之间的不同组 合方式仍然 使 其在输入 输出电流纹 波、开关管 应力、多路 输出 电压调 整率 等方面存在性能差异。因此部分文献针对上述问题对 LLC 谐振变换 器拓扑结构展开了研究。 在中大功率

43、场合,LLC 变换器可采用半桥逆变网络,电路原理图如图 1.6 所示,变 换器理8-9想的工作波形如图 1.7 所示 。从波形 图中可以看出:半桥 LLC 谐振变 换器的输入电流断续 ,输入电流纹波较大,因此输入滤波电容较大。 Di2inQ1 C1LriLrAT D5rVinD2iLm * CQ C f2 R2 L*Lm*CrBD6图 1. 6 半桥 LLC 谐振 变换器拓扑原理图 VinvABtiLrtiLmiintt t t t t t0 1 2 3 4 5图 1. 7 半桥 LLC 谐振 变换器主要波形图 为了减小半桥 LLC 谐振 变换器 的 输入电流脉动,文献10 提出在 开关管 Q

44、 和 Q 两端分别1 2并联一个 LLC 谐振网络, 如图 1.8 所示 , 称为 半桥双谐振网络 LLC 谐振变换 器。 半桥双谐振网络 LLC 谐振 变换器含有两个变压器, 原边并联, 副边串联。 其主要工作波形 如图 1.9 所示,由于两个谐振网络互补工作,此时变换器输入电流连续,输入电流纹波相应地 减小。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 L Cr1i r1iinLr1TD r1 D15iLm1Q1 C1 *Lm1C Rf L*Vin*D2iLm2QC22*LDm2 6Lr2 Ci r2Lr2Tr2图 1. 8 半桥 双谐振网络 LLC 谐振变 换器拓扑原理图 VinvABtiLr1t

45、iLm1iLr2iLm2tiintt tt t t t0 1 2 3 4 5图 1. 9 半桥 双谐振网络 LLC 谐振变 换器主要波形图 除了半桥逆变网络, 全桥逆变网络也经常被应用于中大功率 LLC 谐振变 换器中。 全桥 LLC谐振变换器 由于全桥逆 变网络自身 的对称性, 输入电流连 续 ,同样可 以改善中大 功率场合的输入电流脉动。但不管是全桥 LLC 谐 振变换器还是半桥 LLC 谐振变换器,由于 副边整流网络中不含电感, 在输出大电 流的应用场 合,当 副边 电流工作在 断续状态 时 ,输出 电流 纹波较大。为改善 LLC 谐振变换器的输出电流纹波, 文献11 采用了将两路 LL

46、C 谐振变换器 交错并联的结构,两路变换器开关管驱动脉冲交错 90 °, 提高输出电流脉动频率, 有效减小输出电流 纹波。 变换器拓扑原理图和主要波形分别如图 1.10、图 1.11 所示。 在高压输入 的应用场合 ,为兼顾开 关管的电压 应力和软开 关特性,桥 式三电平逆 变网络被12-13人们所采用 。 三 电 平 桥 臂 降 低 了 开 关 管 的 电 压 应 力 ,LLC 谐振网络实现了开关 管的 ZVS开通及整流二极管的 ZCS 关断,变换器拓扑原理图如图 1.12 所示。 此外, 为适应计算机、 平板 电视等系统中不同电压等级的电源需求,LLC 谐振变换 器多路14输出拓

47、扑也同样被人们所研究 。 变换器通常采用线性稳压、 同步开关以及磁放大器技术提高输出电压调整率,图 1.13 给出了采用 磁放大器技术的 LLC 多 路输出变换器拓扑原理图。5 LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 D2Q1C1Lr1iLr1ADT5V r1inD2i *Q Lm1C C R2 2f L*L*m1Cr1BD6D3Q3 C3LA r2 i2 Lr2Tr2D7D4iLm2*C4Q4*Lm2 *Cr2 D8B2图 1. 10 交 错并联半桥 LLC 谐振变 换器 拓扑原理图 vA1B1VVin invA2B2tiLr1tiLm1iLr2iLm2 ti iD5 i D

48、6 iD7 D8tt t t t t tt t t t0 1 2 3 4 5 6 7 8 9图 1. 11 交 错并联半桥 LLC 谐振变 换器主要波形 图 D1Q1 C1Cin1D D2 5D9Q QD 2 C 5 C7 2 5LTr r*LC rss CRf L*VinLm*CrD3D6QC3 Q C3 6D 68Cin2 D10D4Q4 C4图 1. 12 三 电平 LLC 谐 振变换器 拓扑原理图 6 南京航空航天大学硕士学位论文 Di1inQ1 C1 D C R7 f2 L2LrD8iLrAV Tin rD2iLm *Q C2 D C R2 f15 L1*Lm*CrBD6图 1. 1

49、3 采 用磁放大器调压的多路输出 LLC 谐 振变换器 拓扑原理图 1.3.2 增益特性研究 拓扑结构分析阐述了不同拓扑结构下 LLC 谐振 变换器的工作原理、 电压电流纹波性能及适用场合等, 但如果想了解 LLC 谐振变 换器输入输出关系、 完成元件参数的定量化设计则需要对LLC 谐振变 换器的增益特性进行研究,常用的研究方法有频域分析法和时域分析法。 频域分析法基于 LLC 谐 振变换器工作在谐振频率点附近,假定高次谐波不参与能量传输,15-18仅考虑电压 电流的 基波 成分 ,将变 换器 简化为 线性网络 来 分析 。由于许多文 献已经给出 了LLC 谐振变 换器具体的线性化过程, 这里

50、直接给出其交流等效电路图, 如图 1.14 所示。 由交流等效电路可 以得到谐振 网络的输入 输出 传递函 数,将输入 输出电压值 的基波分量 分别代入输入输出传递函数即可得到 LLC 谐振变 换器的直流增益表达式。 频域基波分析法 仅考虑电压电流的基波成分, 当变换器开关频率远离谐振频率时, 电压电流谐波含量增多, 基波分析 法误差较大。 LrEin EoL Rm acCr图 1. 14 LLC 谐振变换 器交流等效电路图 时域分析法 根据不同的 谐振工作状 态将 变换器 每个周期分 成不同的阶 段 ;再根据 不同阶段变换器等效 电路图 和储能元件电压 、电流 初始 值得到 储能 元件 电压电 流的时域状 态方程 ;最后19将一个周期不同阶段的时域状态方程联立得到 包含输入输出电压增益变量的函数方程组 。基于时域分析的 LLC 输入 输出 增益特性相比于频域分析结果较为精确, 但由于方程组变量之间相互耦合,很难用简单的表达式描述,因此一般需要运用计算机软件进行辅助计算。 本文第二章将依照时域分析方法, 考虑谐振网络中谐振电流、 电压的变化, 精确分析 LLC谐振变换器增益特性。 1.3.3 控制方式研究7 LLC 变换器 PWM 控制策略 和同步整流技术的研究 增 益 特 性的分 析 给 出 了 LLC 谐