宽输出范围桥式LLC谐振变换器的研究与设计

摘要

功率变换器的高频化和模块化技术可使变换器体积小，重量轻以及结构紧凑，是实现高性能移动电源的强力手段。在DC-DC变换器中，开关频率高、体积小、效率高的谐振变换器顺应了小而轻的发展趋势。直流充电机除了需要实现体积小、重量轻以外，其输出电压还需要在较宽的范围内连续调节。LLC谐振变换器具有较宽的频率调节范围和较强的电压调节能力，同时能实现开关管零电压开通和二极管零电流关断，具有高效率和高功率密度的特点，适合电动汽车充电的应用场合。本文基于LLC谐振变换拓扑设计了一台数字变频控制、宽输出电压范围的谐振变换器。 本文首先采用基波近似法建立LLC谐振变换器等效电路模型，借助等效电路模型得到电压增益与负载、谐振网络参数以及频率的关系。通过分析不同负载和谐振网络参数在不同开关频率工况下的电压增益曲线，得到负载和谐振网络参数对变换器工作频率范围的影响。然后依据LLC谐振变换器的输入阻抗特性，讨论变换器在不同的频率区间内实现ZVS与ZCS情况，确定实现LLC谐振变换器最大效率的最佳的工作区间。在此基础上，通过分析全负载范围开关管ZVS的边界条件，得到LLC谐振变换器的谐振参数的设计方法。 针对电动汽车充电宽输出范围的需求，在全桥LLC工作模态下，开关频率变化范围大，高频区频率较高。开关频率越高整流整流二极管的寄生电容和变压器漏感对LLC谐振变换器的电压增益影响越大，为了减小实现全桥LLC宽输出范围需求的高开关频率，本文提出LLC谐振电路变模态（全桥LLC模态变为半桥LLC模态）实现方法，减小LLC谐振变换器的工作频率范围，降低开关频率，降低电路特性受电路寄生参数的影响。针对闭环控制系统，采用扩展描述函数法得到PFM（脉冲频率调制）小信号模型，分析得到LLC谐振变换器在稳态受到小信号扰动时的状态方程，建立系统传递函数，并设计控制系统补偿器实现宽输出范围桥式LLC谐振变换器的动稳态系统设计。 通过仿真对设计的LLC谐振变换器在不同工作频率的开关管ZVS进行验证，针对电池充电场合两种模态进行了闭环仿真，证明提出的变模态方案的可行性。最后设计了一台带数字控制器的输入电压100V，最大输出电流4A，功率500W的实验样机，实验结果验证了原理分析的正确性和提出设计方案的可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 谐振变换器的发展概况

1.3 LLC谐振变换器国内外研究现状分析

1.4 本文的研究内容

第2章 LLC谐振变换器工作原理及特性分析

2.1 LLC谐振变换器的工作模态分析

2.2 LLC谐振变换器稳态分析

2.3 LLC谐振变换器的工作区域

2.4 本章小结

第3章 宽输出范围的LLC谐振变换器的研究

3.1 电动汽车的动力电池充电特性

3.2 宽输出范围全桥LLC谐振变换器的设计

3.3 寄生参数对谐振变换器的影响

3.4 变模态控制策略的原理分析

3.5 本章小结

第4章 变模态控制的LLC谐振变换器的设计

4.1 变模态控制的LLC谐振变换器的参数设计

4.2 扩展描述函数法小信号建模

4.3 LLC谐振变换器的设计

4.4 LLC谐振变换器损耗的计算

4.5 本章小结

第5章 LLC谐振变换器仿真与实验结果分析

5.1 Matlab仿真电路与结果分析

5.2 实验电路与结果分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果