全桥LLC谐振电源的设计与研究理论部分.doc
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全桥LLC谐振电源的设计与研究理论部分.doc
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河海大学文天学院学士论文
毕业设计(论文)
题目:
全桥LLC谐振电源的设计与研究理论部分
专业年级
2009级电气工程及其自动化
学号
姓名
指导教师
尹斌
评阅人
王仲夏
2013年6月
中国马鞍山
本科毕业设计(论文)任务书
Ⅰ、毕业设计(论文)题目:
全桥LLC谐振电源的设计与调试-理论部分
Ⅱ、毕业设计(论文)工作内容(从专业知识的综合运用、论文框架的设计、文献资料的收集和应用、观点创新等方面详细说明):
随着软开关技术和并联均流的发展,高性能的大功率高频开关电源的研究与开发已成为电力电子领域的重要研究方向,高频化,高效率,高功率密度和低损耗,低EMI噪声是DC/DC变换器的发展趋势,全桥LLC谐振变换器能够实现全负载范围下原边开关管ZVS,副边整流管ZCS,有效解决了移相全桥PWMZVSDC/DC变换器存在的问题,使得LLC谐振拓扑结构成为电力电子技术领域研究的热点。
本课题以全桥LLC谐振变换器为研究内容,并与移相全桥PWMZVSDC/DC变换器进行比较,总结二者优缺点,接着对变换器工作原理进行详细研究,建立数学模型,运用MATLAB仿真证明理论分析的正确性。
最后,搭建220V-40A全桥LLC谐振变换器实验平台,验证理论分析的正确性和设计方法的合理性。
具体工作的步骤、内容、要求安排如下:
1.绪论,介绍研究的背景。
2.以全桥LLC谐振变换器为研究内容,并与移相全桥PWMZVSDC/DC变换器进行比较总结二者优缺点。
3.对变换器工作原理进行详细研究,建立数学模型,运用MATLAB仿真证明理论分析的正确性。
4.总结论文。
Ⅲ、进度安排:
第1周~第2周(2周):
根据毕业设计任务和要求,收集、查阅和研究学习相关的信息和资料:
确定相应的技术方案和实施过程及规划;
第3周~第5周(3周):
撰写论文初稿,查阅相关资料进行修改;
第6周~第9周(4周):
设计电路图,调试硬件;
第10周~第12周(3周):
完成MATLAB软件设计;
第13周~第14周(2周):
充实论文,后期检查整改。
Ⅳ、主要参考资料:
[1]张占松,蔡宣三,开关电源的原理与设计(修订版),电子工业出版社,2006.1.361~367
[2]阮新波,严仰光,直流开关电源的软开关技术,北京:
科学出版社,2000
[3]马利军,峰值电流模式控制在移相全桥变换器中干的应用[硕士学位论文],河海大学电气工程学院,2007.
[4]YileiGu,C.Chen,"AnalysisandDesignofTwo-TransformerAsymmetricalHalf-BridgeConverter,”Proc,IEEEPESC'022002,943-948
[5]L.Krupskiy,V.Meleshine,A.Nemchinov,"UnifiedModeloftheAsymmetricalHalfBridgeforThreeImportantTopologicalVariations,”Proc,IEEEINTELEC’99,1999,pp.8
[6]丁道宏,杨东平,串联输出谐振变换器开关特性和效率分析,电力电子技术,1994年第一期,29~32
[7]丁道宏,陈玉水,并联输出DC-DC谐振变换器的稳态输出与数字仿真,南京航空航天大学学报,1994,26
(2):
177~186
[8]王卫,张雷,李可,半桥串并联谐振电源的研究,哈尔滨工业大学学报,1996,28
(1):
69~75
[9]周伟成,3kWLLC谐振式模块化通信电源[硕士学位论文],浙江大学电气工程学院,2007
指导教师:
(签名:
),2012年月日
学生姓名:
(签名:
),专业年级:
电气工程及其自动化09级
系负责人审核意见(从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核):
专业负责人签字:
,2012年月日
摘要
随着软开关技术和并联均流的发展,高性能的大功率高频开关电源的研究与开发已成为电力电子领域的重要研究方向,高频化,高效率,高功率密度和低损耗,低EMI噪声是DC/DC变换器的发展趋势,全桥LLC谐振变换器能够实现全负载范围下原边开关管ZVS,副边整流管ZCS,有效解决了移相全桥PWMZVSDC/DC变换器存在的问题,使得LLC谐振拓扑结构成为电力电子技术领域研究的热点。
本文首先对谐振变换器基本分类和工作过程进行归纳总结,并与传统PWM变换器进行对比,总结LLC谐振变换器主要优点;详细讨论LLC谐振变换器工作在各个开关频率区域内工作过程和工作原理,分析变换器工作在容性区域内的缺点和危害性以及轻载情况下的工作状况。
其次,利用基波分析方法建立变换器数学模型,推导输入电压、输出电压和开关频率以及负载的关系,分析LLC谐振变换器空载特性和短路特性,推导感性和容性区域边界条件,确定变换器稳态工作区域,确定主开关管实现ZVS条件,分析系统小信号模型和设计控制器。
最后,根据主开关管的ZVS条件总结谐振参数的计算步骤,据此设计了主电路和控制电路,在讨论几种常用的过流保护方法基础上采用实用过流保护方法,而且对变换器的损耗做出详细的分析。
通过实验证明了LLC谐振变换器具有软开关特性,电路结构简单、效率高,可以实现高频化和高功率密度,电路的输入电压范围和输出功率范围较宽以及输出整流二极管电压应力较低等优点。
关键词:
谐振变换器,软开关,基波分析方法,过流保护,损耗分析
Abstract
InDC/DCconverterapplications,highfrequency,highpowerdensity,highefficiencyisthedevelopmenttrend.AsafocusinDC/DCconvertersresearchfieldsnowadays,LLCseriesresonantconvertercansolvewelltheseproblemssuchashardtoachieveZVSinlightloadandrevererecoveryproblems,alsoworkwellwithoutanyload,andthecurrentthroughtheresonantnetworkisresponsetothevariationonload.Justwiththeadvantagescomparingtotheseriesconverterortheparallelconverter,itcanbewidelyfocusedonandusednowadays.
ThedissertationfirstanalyzesthreetraditionalresonantconvertersandcomparesthemwithLLCresonantconverter,andthensumsuptheadvantagesofLLCresonantconverter,anddiscussesindetailitsprincipleandtheoperationmodesineachfrequencyrange,andthedisadvantagesandharmfulnessinthenon-inductancerangeandtheworkstatesinthelightload.Secondly,basedonthefundamentalharmonicapproximation(FHA),themathematicsmodeloftheconverterisobtained,thegainrelationsbetweeninputandoutputvoltagedependingonswitchingfrequencyandloadconditionsaregiven,theno-loadandshortcharacteristicisanalyzed,steadyworkingregionofLLCresonantconverterisconfirmed,andtheconditionstoachieveZVSaregiven,small-signalmodelisanalyzedandthecontrollerisdesigned.Finally,thecalculationprocessoftheresonantparametersissummedup,thenthemaincircuitparametersandcontrolcircuitisdesigned,thefruitwayofover-currentprotectionisadopted,andthelossesoftheconverterareanalyzedindetail.TheexperimentalresultsprovethatLLCresonantconverterhavestheadvantagessuchasZVScharacteristic,simplecircuitstructure,theachievementofhighfrequencyandhighpowerdensityandhighefficiency,thewiderangeofinputvoltageandoutputpower,andthelowvoltagestressofoutputrectifierdiodes.
Keywords:
resonantconverter,soft-switches,FHA,over-currentprotection,analysisofloss
I
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1直流变换器 1
1.1.1.直流变换器的分类 1
1.1.2直流变换器技术现状及未来的发展 1
1.2软开关技术 3
1.3谐振变换器与谐振电源 4
1.3.1串联谐振变换器 4
1.3.2并联谐振变换器 5
1.3.3串并联谐振变换器 7
1.3.4LLC串联谐振变换器 8
1.4移相全桥PWMZVSDC/DC变换器与LLC串联谐振变换器比较 8
第二章LLC串联谐振变换器工作原理 11
2.1主电路 11
2.2变换器工作在感性区间主要波形和工作模态 12
2.2.1工作在f>fs区间(Buck)主要工作波形和工作模态 12
2.2.2工作于fm 2.2.3工作在f=fs谐振频率点的工作波形 17 2.3工作在容性区间内开关管的工作状态 18 2.4工作于接近感性和容性区间分界线以及轻载下的工作状况 20 第三章LLC串联谐振变换器电路设计 22 3.1谐振参数计算 22 3.1.1参数设计步骤 22 3.1.2根据步骤计算出谐振参数 23 3.2谐振电容选取 23 3.2.1高频变压器设计 23 3.2.2主开关管和整流二极管的选取 25 3.3控制器的设计 25 3.4频率控制电路以及驱动电路 27 3.4.1频率控制电路 27 3.4.2驱动电路 28 3.5常用过流限流保护方法 29 3.5.1提高变换器开关频率方法 29 3.5.2变频和定频相结合方法 30 3.5.3采用二极管钳位法 30 3.5.4实用过流保护方法 32 第四章仿真以及实验结果分析 33 4.1仿真LLC谐振电路 33 4.3输出整流二极管电压和电流 34 4.4变压器原边电压波形 35 结论与展望 36 致谢 37 参考文献 38 附录1: 英文文献 40 附录2: 中文文献 45 第一章绪论 1.1直流变换器 1.1.1.直流变换器的分类 直流变换器分为并联直流变换器和非并联直流变换器两种. 并联直流变换器采用先进的高频脉宽调制边缘谐振技术,使效率得到了极大提高。 整机具有稳压精度高、动态响应快、输出杂音低、抗干扰能力强、工作温度范围宽等特点。 面板上的中文液晶可显示本电源模块的工作状态,也可直观显示电压电流等数据;模块的各种保护功能齐全;模块内置均充、浮充切换电路,并可选择手动或自动控制。 监控接口可监测模块工作状态,可进行开关机控制,均浮充控制,并配有自动均流总线接口,均充总线接口。 智能机型配有RS485接口,可与配套监控模块、PC机、PLD等其它智能设备连接,完成远端监控,实现电源系统四遥功能。 非并联直流变换器采用进口DC-DC模块组成,具有稳压精度高、输出噪声低、抗干扰能力强等优点,且体积小、重量轻一般的直流变换器都是单向的,也某些场合也会有双向直流变换器来进行工作。 1.1.2直流变换器技术现状及未来的发展 分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展,其电源系统需用的DC/DC电源模块越来越多。 对其性能要求越来越高。 除去常规电性能指标以外,对其体积要求越来越小,也就是对其功率密度的要求越来越高,对转换效率要求也越来越高,也即发热越来越少。 这样其平均无故障工作时间才越来越长,可靠性越来越好。 因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本更高性能的DC/DC转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。 例如: 二十年前Lucent公司开发出第一个半砖DC/DC时,其输出功率才30W,效率只有78%。 而如今半砖的DC/DC输出功率已达到300W,转换效率高达93.5%。 从八十年代末起,工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积,提高功率密度,首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起,但这种努力结果是大幅度缩小了体积,却降低了效率。 发热增多,体积缩小,难过高温关。 因为当时MOSFET的开关速度还不够快,大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。 工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。 虽然技术模式百花齐放,然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。 一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术;另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。 有源箝位技术历经三代,且都申报了专利。 第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术,其专利已经于2002年2月到期。 VICOR公司利用该技术,配合磁元件,将DC/DC的工作频率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其转换效率却始终没有超过90%,主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗,还有导通损耗和驱动损耗。 特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加,而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术,其效率是无法再提高的。 因此,其转换效率始终没有突破90%大关。 为了降低第一代有源箝位技术的成本,IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。 它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位。 这使产品成本减低很多。 但这种方法形成的MOSFET的零电压开关(ZVS)边界条件较窄,在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术,而且PMOS工作频率也不理想。 为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉,一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利,并获准。 其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。 所以实现了更高的转换效率。 它共有三个电路方案: 其中一个方案可以采用N沟MOSFET。 因而工作频率较高,采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起,因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。 (即四分之一砖DC/DC做到250W功率输出及92%以上的转换效率)[1] 1.2软开关技术 60年代开始使用的PWM变换器以其简单的拓扑结构和控制方式得到广泛的应用。 但是由于传统PWM变换器中开关器件工作在硬开关状态下,功率开关管的开通与关断是在开关器件电压和电流不为零的状态下进行的,迫使开关器件电压未降到零时开通,或电流未降到零时关断。 由于线路分布电感和开关输出电容的影响,开关管开通时电流从零逐步上升,电压逐步下降,电流上升和电压下降有个交迭的过程,使得开通过程有较大功率损耗;类似地,开关管关断时也有较大功率损耗。 硬开关技术存在以下缺陷: (1)开通和关断耗大: 开关器件的电压和电流交叠形成的开关损耗随着开关频率增加而增加。 (2)感性关断和容性开通问题: 由于电路中存在感性元件,当开关器件关断时,在开关器件两端产生较高的电压尖峰,容易造成开关器件的电压击穿;其次,由于开关器件中存在寄生电容,器件关断时使寄生电容存储能量,当器件突然开通时,储存的能量将会瞬间耗散在开关器件内,可能会引起开关器件过热损耗,且由于电压变化快,将会产生严重的开关噪声,会严重影响器件的驱动电路,从而使电路工作不稳定。 (3)二极管反向恢复问题: 其在反向恢复期间仍处于导通状态,同一桥臂的开关器件此时立即开通,很容易造成直流电源瞬间短路,产生过大的电流冲击。 传统解决硬开关中开关损耗的方法就是增加缓冲电路使开关管开通时电流缓慢上升和关断时电压缓慢上升,从而改变开关轨迹,降低开关过程中开关损耗。 缓冲电路中储能元件L和C的值决定开关电流和电压缓慢上升程度,其数值越大,缓冲能力越强,开关损耗越小。 但是有损缓冲电路的实质就是将功率器件所减少的能耗转移到缓冲电路中,在强缓冲时反而会增加开关电路损耗。 采用无损缓冲电路可以减小这一矛盾,但需要额外增加元件,大大增加电路复杂性。 因此,软开关技术[1,2,3]就发展起来了。 随着电源技术深入发展,市场竞争激烈加剧。 为了降低成本和减小变换器体积,电源制造商意识到必须采用新技术。 因此,如何选择合适电路拓扑,在不增加成本前提下,有效利用软开关技术达到设计要求,是电源工程师的首要任务。 1.3谐振变换器与谐振电源 谐振变换器是以谐振电路为基本变换单元,利用谐振原理,使开管器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化,在开关管电流自然过零后关断开关管;或在开关管电压为零后开通开关管,从而实现ZVS或ZVS,降低开关损耗。 谐振变换器有多种不同的分类方法,根据负载与谐振电路的连接关系,可以分为串联谐振变换器[1-6](SRC,seriesresonantconverter)、并联谐振变换器[7](PRC,parallelresonantconverter)、两者结合所生成的串并联谐振变换器[9](SPRC,series-parallelresonantconverter)以及LLC串联谐振变换器[9-12 ]谐振电源装置是利用无功补偿原理,只需用较低电压和较小容量的试验电源,可进行大型发电机,电缆以及GIS组合电器的耐压试验.这种试验方法安全可靠,并能有效地检出有绝缘缺陷的电气设备。 1.3.1串联谐振变换器 图1-1串联谐振变换器 图1-1给出串联谐振变换器的电路拓扑。 由功率MOS管Q1、Q2组成半桥臂,D1&D2和C1&C2为其体内二极管和输出电容。 D3&D4以及变压器构成零式全波整流环节。 谐振电感Ls和谐振电容Cs构成串联谐振回路,负载与谐振回路串联在一起,谐振回路和负载构成分压电路,直流电压增益不会超过1,当电路工作在谐振频率时,谐振回路阻抗最小,输入电压全部加在负载上,此时增益最大。 通过改变工作频率来改变谐振回路阻抗,从而输出电压就会改变。 对于串联谐振变换器来说,工作频率大于谐振频率才能实现原边功率MOS管ZVS开通。 如果开关频率小于谐振频率时,开关管工作在ZCS状态。 对于功率MOS管来说,ZVS是最好的选择。 而串联谐振变换器比较严重的问题是轻载下需要较高开关频率保持输出电压不变。 图1-2和1-3分别给出了串联谐振变换器在谐振点上的主要工作波形以及变换器输出电压增益曲线。 图1-2串联谐振变换器的主要波形图1-3串联谐振变换器的电压增益曲线 串联谐振变换器的优点在于: 工作频率大于谐振频率时,原边功率MOS管ZVS开通,输出二极管ZCS关断,开关损耗小;电路结构简单,没有输出滤波电感,输出整流二极管上电压应力较小;电路中的循环电流较低;谐振回路电流随着负载变轻而减小,因此轻载效率较高;串联谐振电容起到隔直作用,防止高频变压器饱和。 其缺点在于: 轻载时电路工作频率很高;调节范围比较差,不适合用于设计输入电压范围较宽的电源;在轻载或者空载情况下,输出电压不可调;输出直流滤波电容须承受较大电流脉动。 1.3.2并联谐振变换器 图1-4并联谐振变换器 并联谐振变换器结构如图1-4所示。 它是由两个功率MOS管Q1&Q2组成上下桥臂,D1&D2和C1&C2是其体内二极管和输出电容,,虽然谐振电感Lp和谐振电容Cp串在一起,但是负载是和谐振电容并在一起的。 整流输出经LC平滑滤波,向负载传送能量。 当谐振电容Cp端电压大于零时,D3导通流过输出滤波电感电流I0;当谐振电压Cp端电压小于零时,D4导通流过电流I0。 滤波电感L0上电压在一个周期内平均为零,所以输出电压V0为全波整流后电压的平均值。 与串联谐振变
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