基于半桥LLC谐振变换器的LED驱动电源设计

摘要

随着能源和环境问题的日益严重，节能高效成为电力电子追求的主题，传统的LED驱动电源方案效率低且性能不稳定，为了达到环保高效的目的，谐振变换器逐渐成为研究热点，而半桥LLC谐振DC/DC变换器具有ZVS（零电压开通）、ZCS（零电流关断）、开断损耗小、大功率密度和高效率等优点，被广泛应用在LED照明驱动电源中。本文详细分析了LLC谐振变换器的工作原理、谐振参数的选取、主电路的设计，利用交流小信号建模并完成PID数字控制器的设计，制作了一款24V/350W的半桥LLC谐振变换器样机，本文主要研究工作如下:
　　(1)半桥LLC谐振变换器工作过程及关键问题研究。本文针对谐振频率振荡，谐振参数及输出电压不稳定等问题，详细的阐述了半桥LLC谐振变换器的工作原理，优化了谐振参数，利用变压器漏感代替励磁电感来稳定工作频率，利用二极管钳位电路减小输出电压纹波，提高了变换器效率，且能够输出稳定电压。
　　(2)半桥LLC谐振变换器主电路的元件选取及设计。根据此电路的设计指标，对半桥LLC谐振变换器的主电路参数进行详细的设计，主要包括功率MOS管的选取，谐振电感、电容和励磁电感的设计和选取，高频变压器的设计，输出整流二极管，输出滤波电容和电感的选择。Saber软件仿真结果表明参数选取和设计合理，电路设计合理，符合变换器高效的要求。
　　(3)数字控制电路和环路补偿控制器的设计。本文利用DSPTMS320F2812设计了LLC谐振变换器的控制电路，包括驱动电路、采样调理电路及电磁兼容设计等，并设计了数字PID控制的具体算法和系统软件结构，为使LLC谐振变换器达到较高的静态和动态性能，本文利用等效电路模型法建立了LLC谐振变换器的小信号模型，利用saber中的sketch仿真平台，设计了双环控制下的模拟PID参数，采用离散化方法得到PID参数，并分析了其控制——输出特性，完成了基于PID策略的控制器的设计。
　　(4)电路仿真及样机制作。利用saber对设计的电路进行仿真，对实验波形和数据进行分析，结果证明了理论分析的正确性和设计方法的合理性。最后，搭建一台24V/350W的实验样机，对谐振变换器中的关键元件进行应力测试，并对电路输入输出状态进行测试，测试结果表明该实验样机性能较稳定，能够快速实现ZVS和ZCS，输出纹波小于1V，轻载时转换效率高于80％，满载时转换效率达到95％。
　　本文中半桥谐振变换器效率高，成本低，有广泛的工程应用前景。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 谐振变换器概述

1．3 国内外研究现状和发展趋势

1．3．1 LED驱动电源及半桥LLC谐振变换器的研究现状

1．3．2 LED驱动电源及半桥LLC谐振变换器的发展趋势

1．4 论文研究主要内容

2 半桥LLC谐振变换器工作原理及稳态特性分析

2．1 半桥DC-DC谐振变换器基本工作原理

2．1．1 半桥谐振变换器满载工作原理

2．1．2 半桥谐振变换器轻载工作原理

2．2 半桥LLC谐振变换器工作过程研究

2．3 半桥LLC谐振变换器稳态特性分析

2．3．1 半桥LLC谐振电路的FHA的等效电路模型

2．3．2 半桥LLC谐振变换器直流增益和输入阻抗分析

2．3．3 原边开关管实现ZVS的约束条件

2．4 本章小节

3 半桥LLC谐振变换器主电路设计

3．1 半桥谐振变换器主电路结构

3．2 主电路参数设计及元件选择

3．2．1 半桥LLC谐振参数的设计步骤

3．2．2 半桥LLC谐振参数的计算结果

3．2．3 半桥LLC谐振电路功率器件的选择

3．3 本章小节

4 基于DSP的控制电路的设计

4．1 开关电源小信号建模的概述

4．2 半桥LLC谐振变换器的扩展描述法建模

4．2．1 半桥LLC谐振元件的小信号模型

4．2．2 半桥LLC谐振变换器开关网络的小信号模型

4．2．3 半桥LLC谐振变换器的整流网络模型

4．2．4 半桥LLC谐振变换器的小信号模型

4．3 半桥LLC谐振变换器的小信号模型特性分析和控制器设计

4．4 系统控制电路设计

4．4．1 LED驱动电源电磁兼容设计

4．4．2 驱动电路设计

4．4．3 采样电路设计

4．5 基于DSP控制系统的软件设计

4．5．1 数字PWM的产生

4．5．2 系统控制软件流程图

4．5．3 A／D中断服务子流程图

4．5．4 数字PID的实现

4．6 本章小节

5 电路仿真及实验结果

5．1 基于saber的实验仿真

5．2 样机关键元件可靠性测试

5．3 实验结果及分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来研究展望

致谢

参考文献

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