CLCL高频谐振变换器拓扑及其控制技术研究

摘要

体积小、重量轻、便携性高是电力电子系统发展的目标，同时也是吸引消费者的重要品质。提高工作频率可大幅降低无源元件体积，提高系统功率密度，但开关损耗与系统工作频率成比例，限制了工作频率和效率的同步提升。为了解决效率与工作频率之间的矛盾，目前研究热点有以下三个方面：第一是对软开关谐振电路的研究，第二是对新型半导体材料制成的器件的研究，第三是对磁性材料和绕组结构的研究。
　　LLC谐振电路被广泛用于开关电源中，但LLC谐振电路只能实现原边开关管的ZVS开通，其关断电流大，系统的开关损耗仍然较高。为进一步降低系统的开关损耗，本文在LLC谐振电路的基础上提出一种CLCL谐振DC-DC变换器。本文分析了CLCL谐振DC-DC变换器运行机理，证明通过优化的参数设计，在很宽的负载范围内，所提 CLCL谐振 DC-DC变换器既能实现原边开关管的ZVS开通，同时其关断电流接近为零，实现准ZCS关断，副边的二极管能够一直保持ZCS关断，降低了系统开关损耗，大幅提升了系统效率。
　　本文选择使用扩展描述函数(Extending Description Function, EDF)的方法对谐振拓扑进行小信号分析，通过分析稳态和加入扰动后的模型，以及传递函数伯德图和零极点分布图，利用模拟器件搭建了II型补偿电路，改善了系统的动态特性以及稳态特性。
　　平面磁性元件体积小、损耗低，适用于高频系统，但现有设计方法精确性较低。本文提出响应曲面法(Response Surface Methodology, RSM)设计平面电感，通过 MAXWELL软件进行仿真并通过大量测试验证了这种模型的正确性和快速性。同时提出基于模块化层模型(Modular Layer Model, MLM)的平面变压器设计方法，基于不同的参数组合建立多个模型，通过比较漏感和对应的电阻值，选出最优的结构，提高了平面变压器的设计精度并降低了其寄生参数。
　　本文在实验室设计搭建一台50W样机，通过对比实验数据证明理论分析及仿真结果的正确性，所设计样机在额定功率状态下，输出电压40V，效率为92%。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 本课题的国内外研究现状

1.3 本课题的主要研究内容

第2章 CLCL谐振拓扑分析

2.1 拓扑介绍及其工作模态分析

2.2 系统分析

2.3 本章小结

第3章 基于EDF的系统小信号建模

3.1 CLCL系统建模

3.2 小信号建模的简化

3.3 系统补偿

3.4 本章小结

第4章 平面磁性元件设计

4.1 平面磁性元件一般设计方法

4.2 平面电感建模分析

4.3 平面变压器建模分析

4.4 本章小结

第5章 样机设计与实验验证

5.1 DC-DC系统简介

5.2 样机设计

5.3 满载实验结果

5.4 负载调整实验结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢