具有二次故障容错能力的LLC谐振变换器研究与设计

摘要

随着电力电子技术的发展，DC-DC变换器已成为众多电气系统和电气设备的重要组成部分，对其可靠性要求也日益提高。传统的冗余备份方法在应对N次故障时，需要N个冗余电路，成本高，体积大。为了降低变换器成本与体积，本文结合冗余备份和拓扑重构方法，提出了一种具有二次故障容错能力的LLC谐振变换器。
　　本文首先介绍了所提变换器的拓扑与工作原理。该变换器利用冗余电路实现一次故障容错，借由辅助二极管和主电路、冗余电路的正常半桥结构进行拓扑重构以实现二次故障容错，其工作过程可被划分为3个模式。对变换器稳态特性的推导结果证明，故障前后开器件电压电流电力不增加，有助于简化电路设计。同时，利用马尔可夫链模型对其可靠性进行了分析。
　　其次，基于扩展描述函数法建立了所提变换器在不同模式下的小信号模型，并据此设计了补偿环节。建模结果表明不同模式下变换器控制特性相近，仅需利用一个PI控制器进行补偿，控制设计简单可靠。
　　再次，针对变换器故障前后的模式切换过程，对各开关管驱动进行了配置，并给出了不同模式下相应表达式。同时，为抑制模式切换时的电压电流过冲，提出了一种提高开关频率的软切换方法，并介绍了相应实施方式。
　　最后，阐述了变换器实验平台的硬件参数、主功率电路和控制电路的设计过程，并给出了稳态实验、切载实验和模式切换实验的结果，验证了变换器拓扑和控制策略的有效性。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 DC-DC变换器故障容错技术的研究现状

1．2．1 系统冗余故障容错

1．2．2 开关器件冗余故障容错

1．2．3 桥式拓扑重构故障冗余

1．2．4 多模块或多相冗余故障容错

1．3 研究意义与研究内容

2 具有二次故障容错能力LLC变换器的拓扑及其工作原理

2．1 二次故障容错LLC谐振变换器的拓扑结构与换流分析

2．1．1 模式1：正常工作模式

2．1．2 模式2：一次故障模式

2．1．3 模式3：二次故障模式

2．2 具有二次故障容错能力LLC谐振变换器的稳态特性

2．2．1 电压增益

2．2．2 电压应力与电流应力

2．3 可靠性分析

2．4 本章小结

3 二次故障容错LLC变换器小信号建模与控制环路设计

3．1 小信号建模

3．1．1 模式1和模式2下的交换器小信号建模

3．1．2 模式3下的变换器小信号建模

3．2 控制环路设计

3．2．1 模式1和模式2控制到输出开环传递函数计算

3．2．2 模式3开环传递函数计算

3．2．3 补偿环节设计

3．3 本章小结

4 二次故障容错LLC变换器模式切换控制

4．1 不同模式下的开关管驱动时序设计

4．2 不同模式间软切换方法设计

4．2．1 基于提高开关频率的模式软切换方法简介

4．2．2 模式1切换至模式2过程?h选取

4．2．3 模式2切换至模式3过程?h选取

4．3 本章小结

5 二次故障容错LLC变换器实验样机设计与验证结果

5．1 硬件参数设计

5．1．1 变压器匝比选取

5．1．2 谐振电感、励磁电感、谐振电容参数设计

5．2 主功率电路设计

5．2．1 开关管与二极管

5．2．2 变压器与谐振电感设计

5．2．3 谐振电容与输出电容

5．3 控制电路设计

5．3．1 DSP控制系统

5．3．2 功率驱动电路

5．3．3 采样反馈电路

5．4 实验验证结果

5．4．1 稳态实验结果

5．4．2 切载实验结果

5．4．3 模式切换实验结果

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢