LLC串联谐振全桥DCDC变换器的研究.docx
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LLC串联谐振全桥DCDC变换器的研究
LLC串联谐振全桥DC-DC变换器的研究
分类号
学号密级学校代码
硕士学位论文
LLC串联谐振全桥DC/DC
变换器的研究
学位申请人:
宫力
学科专业:
电力电子与电力传动指导教师:
李晓帆教授
答辩日期:
2006年4月28日
AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
ResearchonLLCSeriesResonantFull-Bridge
DC/DC
Converter
Candidate:
GongLiMajor:
PowerElectronicsandElectricDriveSupervisor:
ProfessorLiXiaofan
HuazhongUniversityofScienceandTechnology
Wuhan430074,P.R.China
April,2006
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□,在_____年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
(请在以上方框内打“√”)
学位论文作者签名:
指导教师签名:
日期:
年月日日期:
年月日
摘要
高频化、高功率密度和高效率,是DC/DC变换器的发展趋势。
传统的硬开关变换器限制了开关频率和功率密度的提高。
移相全桥PWMZVSDC/DC变换器可以实现主开关管的ZVS,但滞后桥臂实现ZVS的负载范围较小;整流二极管存在反向恢复问题,不利于效率的提高;输入电压较高时,变换器效率较低,不适合输入电压高和有掉电维持时间限制的高性能开关电源。
LLC串联谐振DC/DC变换器是直流变换器研究领域的热点,可以较好的解决移相全桥PWMZVSDC/DC变换器存在的缺点。
但该变换器工作过程较为复杂,难于设计和控制,目前尚处于研究阶段。
本文以LLC串联谐振全桥DC/DC变换器作为研究内容。
以下是本文的主要研究工作:
对LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的工作原理进行了详细研究,利用基频分量近似法建立了变换器的数学模型,确定了主开关管实现ZVS的条件,推导了边界负载条件和边界频率,确定了变换器的稳态工作区域,推导了输入,输出电压和开关频率以及负载的关系。
仿真结果证明了理论分析的正确性。
采用扩展描述函数法建立了变换器在开关频率变化时的小信号模型,在小信号模型的基础上分析了系统的稳定性,根据动态性能的要求设计了控制器。
仿真结果证明了理论分析的正确性。
讨论了一台500w实验样机的主电路和控制电路设计问题,给出了设计步骤,可以给实际装置的设计提供参考。
最后给出了实验波形和实验数据。
实验结果验证了理论分析的正确性。
关键词:
直流-直流变换器软开关串联谐振小信号模型
I
Abstract
InDC/DCconverterapplications,highfrequency,highpowerdensityandhighefficiencyisthedevelopmenttrend.Traditionalhard-switchedconvertersrestrictthedevelopmentofDC/DCconverter.Phase-shiftFullBridgePWMZVSDC/DCconverterhasbeenwidelyusedowingtoitsZVSconditionofmainswitches.Butitstillhassomedisadvantages,forexample:
lagging-armswitchesishardtoachieveZVSinlightloadconditions;rectifierdiodehaveunavoidablerecoveryproblemsandtheynotonlycausegreatsecondaryloss,butalsoincreasethevoltagestressoftherectifierdiodes;convertercanachievehighefficiencyinlowinputDCvoltageconditionsbutlowefficiencyinhighinputDCvoltageconditions,thiskindofefficiencycharacteristicrestrictsitsapplicationsonhighinputDCvoltageoccasionsandhigh-qualityconverterswhichhavehold-uptimerequirements.Fortunately,asonefocusinDC/DCconvertersresearchfieldsnowadays,LLCseriesresonantFullBridgeDC/DCconvertercansolvetheseproblemssuccessfully.Butowingtoitscomplexitycausedbymulti-resonantprocess,it’shardtoanalyze,designandcontrol.SoLLCseriesresonantFullBridgeDC/DCconverterhasbiggishresearchvalue.
Inthispaper,LLCseriesresonantFullBridgeDC/DCconverterisanalyzedindetail.Basedonthefundermentalelementsimplificationmethod,themathematicsmodeloftheconverterisobtained,theconditionstoachieveZVSaregiven.SteadyworkingregionofLLCseriesresonantFullBridgeDC/DCisconfirmed,therelationsbetweeninputandoutputvoltagedependingonswitchingfrequencyandloadconditionsaregiven.Simulationresultsprovethecorrectnessofthetheory.
Inordertodesigncontroller,small-signalmodeloftheconvertermustbegiven.Inthispaper,thesmall-signalmodelofLLCseriesresonantFullBridgeDC/DCconvertersisdeducedusingExtendedDesicribingFunctionMethod.Also,stabilityoftheconverterisanalysedandcontrollerisdesignedtomeettherequirmentsofdynamicprocess.Simulationresultsprovethecorrectnessoftheory.
Basedontheoryanalysis,a500wprototypecircuitisdesigned,andthedesignstepsisgiven.Theexperimentalresultsprovetheefficiencyoftheconverter.
Keywords:
DC/DCconverterSoft-switchingSeries-resonantSmall-signalmodelII
目录
摘要....................................................................................................................IABSTRACT........................................................................................................II1绪论
1.1
1.2
1.3
1.4电力电子技术的概况............................................................................
(1)开关电源和DC/DC变换器的发展趋势..............................................
(2)软开关技术.............................................................................................(4)本文研究的主要内容............................................................................(6)2LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的基本原理
2.1
2.2
2.3
2.4移相全桥PWMZVS变换器的基本拓扑结构和工作过程................(7)MOSFET和IGBT性能比较..............................................................(10)LLC串联谐振变换器工作原理分析和工作区域划分......................(12)小结.......................................................................................................(32)3LLC串联谐振全桥变换器小信号建模和控制系统设计
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6开关电源小信号建模的方法概述......................................................(33)扩展描述函数法建模的基本原理......................................................(34)LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的小信号建模...........................(38)LLC串联谐振变换器小信号模型和稳定性分析..............................(42)控制器的设计和实现..........................................................................(44)小结.......................................................................................................(47)4主电路和控制电路设计
III
4.1
4.2
4.3主电路参数设计..................................................................................(48)控制电路设计......................................................................................(57)小结.......................................................................................................(61)5实验结果与分析
5.1
5.2实验波形分析......................................................................................(62)实验结论...............................................................................................(65)全文总结...........................................................................................................(67)致谢...........................................................................................................(68)参考文献...........................................................................................................(69)附录I攻读硕士期间公开发表的论文.....................................................(72)
IV
1绪论
1.1电力电子技术的概况
电力电子技术是电工技术的分支之一,应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术对电能特别是大的电功率进行处理和变换是电力电子技术的主要内容[1][2]。
在现代工业、交通、国防、生活等领域中,除变比固定的交流变压器以外,大量需要其他各种类型的电力变换装置和变换系统,将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能,使用电设备处于各自理想的最佳工作情况,或满足用电负载的特殊工作情况要求,以获得最大的技术经济效益。
经过变换处理后再供用户使用的电能占全国总发电量的百分比值的高低,已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。
2000年末,美国发电站生产的40%以上的电能都是经变换或处理后再提供负载使用,预计到21世纪二、三十年代,美国发电站生产的全部电能都将经变换或处理后再供负载使用。
当今世界环境保护问题日益严重,广泛采用电力电子技术后,可以节省大量的电力,这就可以节约大量资源和一次能源,从而改善人类的生活环境。
此外,如果在电力系统的适当位置设置电力变换器或电力补偿器,能显著改善电力系统的运行特性。
因此电力电子技术具有巨大的技术,经济意义[1]。
1.1.1电力电子变换的基本原理
用电设备将电能转变为光能、热能、化学能和机械能。
光、热、化学反应和机械能的调节和控制,可以通过改变通用设备电源电压的大小或频率方便地实现。
电源可分为两类:
一是直流电源;二是交流电源。
电力变换包括电压电流的大小、波形及频率的变换。
因此电力变换可划分为五类基本变换,相应地有五种电力变换电路或电力变换器[1][2]。
(1)整流:
实现AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的。
功率由电源流向负载的称为整流;功率由负载返回电源的称为有源逆变。
AC/DC变换按电路的接线方式,可分为半波电路、全波电路;按电源相数,可分为单相、三相、多相;按电路工作象1
限,又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。
(2)逆变:
实现DC/AC变换
逆变就是实现直流到交流的功率变换。
如不间断电源UPS,系统平时利用充电式电池储存电能,一旦交流电源中断,便可以把储存在电池中的直流电转换成交流电来维持正常供电。
(3)变频:
实现AC/AC(AC/DC/AC)变换
变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案,工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出电源,输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
(4)斩波:
实现DC/DC(AC/DC/DC)变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压。
当今软开关技术使直流变换器发生了质的飞跃。
日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200~300kHz,功率密度已达到27w/cm3。
采用同步整流器MOSFET,代替肖特基二极管使整个电路效率提高到90%以上。
(5)静止式固态断路器:
实现无触点的开关、断路器的功能,控制电能的通断。
1.2开关电源和DC/DC变换器的发展趋势
从技术上看,几十年来推动电力电子技术水平不断提高的主要标志是[3][4][5][6][7]:
(1)高频化
新型高频功率半导体器件如功率MOSFET和IGBT的开发,使实现开关电源高频化有了可能。
从而使中小型开关电源工作频率可达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)的水平。
超快恢复功率二极管、MOSFET同步整流技术的开发也为高效、低电压输出(3V以下)开关电源的研制有了可能。
现正探索研制耐高温的高性能碳化硅功率半导体器件。
(2)软开关
软开关技术使高效率、高频开关变换器的实现有了可能。
传统PWM开关电源按硬开关模式工作,开关损耗大。
开关电源高频化可以缩小体积重量,但开关损耗却更大。
为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术,即所谓零电压/零电流开关技术,或称软开关技术。
小功率软开关电源效率可提高到80-85%。
70年代谐振开关电2
源奠定了软开关技术的基础。
以后新的软开关技术不断涌现,如准谐振;移相全桥ZVS—PWM;恒频ZVS—PWM/ZCS—PWM;ZVS—PWM有源箝位;ZVT—PWM/ZCT—PWM;全桥移相ZVS—ZCS—PWM等。
(3)功率因数校正技术(PFC)
目前PFC技术主要分为有源PFC技术和无源PFC技术两大类,采用PFC技术可以提高AC-DC变换器输入端功率因数,减少对电网的谐波污染。
有源功率因数校正技术APFC的开发,提高了AC/DC开关电源功率因数。
由于输入端有整流—电容元件,AC/DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备(如逆变器,UPS)等的电网侧功率因数仅为0.65,80年代用APFC技术后可提高到0.95~0.99,既治理了电网的谐波污染,又提高了开关电源的整体效率。
单相APFC是DC/DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用,而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和控制技术的结合。
(4)磁性元件,新型磁材料和新型变压器的开发。
如集成磁路,平面型磁心,超薄型变压器;以及新型变压器如压电式,无磁芯印制电路变压器等,使开关电源的尺寸重量都可减少许多。
(5)电磁兼容(EMC)
在电力电子装置中,主功率开关管在很高的电压下,以高频开关方式工作,开关电压及开关电流均为方波,从频谱分析可知,方波信号含有丰富的高次谐波。
同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容,以及主功率开关器件的工作状态非理想,在高频开或关时,常常产生高频高压的尖峰谐波振荡,该谐波振荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。
用于整流及续流的开关二极管,也是产生高频干扰的一个重要原因。
整流及续流二极管工作在高频开关状态,由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压及电流变化率下,且产生高频振荡。
因为整流及续流二极管一般离电源输出线较近,其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。
这些都是产生电磁干扰的来源。
新电容器和EMI滤波器技术的进步,使电力电子装置小型化,并提高了EMC的性能。
(6)模块化技术。
采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要,提高系统的可靠性。
(7)低压大电流直流电源。
随着半导体制造技术的不断发展,微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越3
低,这就要求未来的DC/DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
(8)数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。
在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。
但是,现在数字信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:
便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错技术的植入。
1.3软开关技术
传统硬开关有以下缺点[3]:
(1)在一定条件下,开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的。
变换器总的开关损耗与开关频率成正比,开关频率越高,总的开关损耗越大,变换器效率越低。
开关损耗的存在限制了开关频率的提高,从而限制了变换器的小型化轻量化;
(2)开关管工作在硬开关时会产生高di/dt和dv/dt从而产生大的电磁干扰(EMI)。
如果不改善开关管的开关条件,其开关轨迹可能会超出安全工作区,导致开关管的损坏。
为了减小变换器的体积和重量,必须实现高频化,要提高开关频率,同时提高变换器的效率,就必须减小开关损耗,减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关,因此软开关技术应运而生。
1.3.1DC/AC逆变器中的软开关技术
在DC/AC逆变器,尤其是多相逆变器中,软开关技术的应用有很大困难[6]。
通常逆变器中存在着多个开关,若每个开关都采用类似DC/DC变换器中的软开关工作方式,则构成软开关的谐振单元相互影响,使电路难以正常工作。
1986年美国威斯康星大学的D.M.Divan提出了谐振直流环逆变器RDCLI和谐振极逆变器(RPI)才较好地解决了这个问题,并立刻引起了
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- LLC 串联 谐振 DCDC 变换器 研究