全桥llc谐振电源的设计与研究理论部分_毕业设计论文(编辑修改稿)

全桥llc谐振电源的设计与研究理论部分_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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] 河海大学文天学院学士论文 3 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。 河海大学文天学院学士论文 4 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 [16]（ SRC， series resonant converter）、并联谐振变换器 [7]（ PRC， parallel resonant converter）、两者结合所生成的串并联谐振变换器 [9]（ SPRC，seriesparallel resonant converter）以及 LLC 串联谐振变换器 [912 ]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。 串联谐振变换器 图 11 串联谐振变换器 图 11给出串联谐振变换器的电路拓扑。 由功率 MOS 管 Q Q2组成半桥臂，D1amp。 D2和 C1amp。 C2为其体内二 极管和输出电容。 D3amp。 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 是最好的选河海大学文天学院学士论文 5 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 12和 13 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 12串联谐振变换器的主要波形 图 13 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。 并联谐振变换器 图 14 并联谐振变换器 河海大学文天学院学士论文 6 并联谐振变换器结构如图 14 所示。 它是由两个功率 MOS 管 Q1amp。 Q2组成上下桥臂， D1amp。 D2 和 C1amp。 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。 与串联谐振变换器一样，工作频率大于谐振频率才能实现原边 MOS 管的 ZVS。 与串联谐振变换器相比，并联谐振变换器工作频率范围较小。 轻载时，它只要稍微增加开关频率就能调节输出电压。 由于负载是和谐振电容相并联的，当负载为零时，相当于只有谐振元件参与工作，此时谐振回路阻抗较小，谐振回路电流较大，因此循环能量较高。 图 1 16 分别给出并联 谐振变换器的主要工作波形和变换器增益曲线。 图 15 并联谐振变换器的主要波形 图 16 并联谐振变换器的电压增益曲线 并联谐振变换器的优点在于： 工作频率大于谐振频率时，原边 MOS 管实现 ZVS 开通；输出电流有效值较低；调节范围较宽，变换器可以工作至轻载；输出采用大滤波电感，对滤波电容脉动电流要求小，适用于低压大电流的场合。 其缺点为： 电路中循环电流比较大；输出滤波电感比较大，不利于功率密度的提高；谐振回路电流与负载轻重无关，开关管通态损耗相对固定，变换器在轻载下效率较低，适合于输出电 压范围较窄和额定功率处负载相对稳定的场合。 河海大学文天学院学士论文 7 串并联谐振变换器 图 17 串并联谐振变换器 如图 17给出 LCC串并联谐振变换器原理图。 它是由三个谐振元件构成：谐振电感 Ls、谐振电容 Cs 与 Cp 串联。 对于 LCC 谐振电路来说，它结合上述两电路的优点。 同并联谐振变换器一样，串并联谐振变换器空载也能够调节输出电压。 图 1 19分别给出变换器工作波形和直流电压电压增益曲线。 图 18 串并联谐振变换器的主要波形 图 19 串并联谐振变换器电压增益曲线 LCC 串并联谐振变换器的优点在 于： 原边 MOS管实现 ZVS 开通；电路的工作频率变化范围比较窄；输出电流有效值较低；当负载变轻或者空载时，变换器偏向于并联谐振变换器特性，通过调节开关频率能在较宽输入电压范围内调节输出电压。 其缺点是： 调节范围比较窄；输出滤波电感比较大；由于变压器原边漏感无法参加谐振，造成变压器电压电流存在一定相位差，导致谐振回路中无功电流增加；电路内循环电流较大，通态损耗加大。 河海大学文天学院学士论文 8 LLC 串联谐振变换器 图 110 LLC 串联谐振变换器 LLC 串联谐振变换器结构如图 110 所示。 LLC 串联谐振变换器采用调 频控制方式（ PFM），即桥臂上下两个开关管占空比不变，接近 50%；同时这两个开关管工作频率根据工作状态来调节，当 Q1关断，谐振电感 Ls、谐振电容 Cs和励磁电感 Lm一起谐振，使 Q2输出电容 C2上电压变为零，然后 D2导通，为 Q2的 ZVS 创造条件。 类似地，当 Q2关断时，谐振电感 Ls、谐振电容 Cs和励磁电感 Lm一起谐振，使 Q1输出电容 C1上电压变为零，然后 D1导通，为 Q1的 ZVS 创造条件。 有关它的工作过程分析和计算公式的推导，将在下一章节中展开讨论。 相对于前面三种谐振变换器， LLC 串联谐振变换器优点在于： 在空 载到全负载范围内，原边功率 MOS 管实现 ZVS 开通，输出整流二极管实现 ZCS 关断，变压器励磁电感和漏感能够被利用，可以集成到一颗磁芯上；原边开关管关断电流较小，关断损耗较低；较高输入电压下具有高效率；输出整流二极管电压应力低，能减小到两倍输出电压；输出端无滤波电感。 其缺点在于： 短路或过流时，原边电流较大；电路中电流有效值较大。 LLC 串联谐振变换器自身的缺点在其他三种电路中也是存在的。 但是，通过合理的设计可以克服这些缺点。 移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器与 LLC 串联谐振变换器比较 移相控制的全桥 PWM变换器是在中大功率 DC/DC变换电路中最常用的电路拓河海大学文天学院学士论文 9 扑形式之一。 移相 PWM 控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件，使开关管达到零电压开通和关断。 从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰，为变换器提高开关频率、提高效率、降低尺寸及重量提供了良好的条件。 同时保持了电路拓扑结构简洁、控制方式简单、开关频率恒定、元器件的电压和电流应力小等一系列优点。 移相控制的全桥 PWM 变换器存在一个主要缺点是，滞后臂开关管在轻载下难以实现零电 压开关，使得它不适合负载范围变化大的场合 [1]。 电路不能实现零电压开关时，将产生以下几个后果： 1）由于开关损耗的存在，需要增加散热器的体积； 2）开关管开通时存在很大的 di/dt； 3）由于副边二极管的反向恢复，高频变压器副边漏感上的电流瞬变作用，在二极管上产生电压过冲和振荡，所以，在实际应用中须在副边二极管上加入 R－ C吸收。 针对上述问题，常见的解决方法是在变压器原边串接一个饱和电感 Ls，扩大变换器的零电压开关范围 [1119]。 但是，采用这一方法后，电路仍不能达到全工作范围的零电压开关。 而且， 由于饱和电感在实际应用中不可能具有理想的饱和特性，这将会导致： 1）增加电路环流，从而增加变换器的导通损耗； 2）加重了副边电压占空比丢失，从而增加原边电流及副边二极管电压应力； 3）饱和电感以很高的频率在正负饱和值之间切换，磁芯的损耗会很大，发热严重。 下面从以下几个方面比较两种变换器进行比较： （ 1）在电路结构上， LLC 半桥串联谐振变换器相对不对称半桥变换器，无须滤波电感，可以直接采用电容滤波，降低变换器体积，有利于功率密度提高。 （ 2）在控制方式上，两种变换器完全不同。 不对称半桥变换器是在不改变开关频 率的情况下，通过开关管占空比改变来调节输出电压；而 LLC 谐振变换器是在不改变占空比的情况下，通过开关频率改变来调节输出电压。 正是由于控制方式差别，不对称半桥变换器占空比随着输入电压升高而降低。 假设固定匝比 n河海大学文天学院学士论文 10 和输出电压 V0，当输入电压为 300V，占空比为 ，而当输入电压增大到 400V，占空比只有 ，占空比丢失严重，单个周期内传递能量时间减少，导致在高输入电压下变换器效率反而下降。 而 LLC 谐振变换器由于采用变频控制方式，不存在宽输入电压范围内占空比丢失的情况，实际上随着输入电压增大谐振回路电流峰值在减 小，开关管开关损耗在减小，在一定开关频率范围内， LLC 半桥串联谐振变换器效率随着输入电压升高而上升，适合用于输入电压宽的场合。 （ 3）从输出整流二极管电压应力情况上看，不对称半桥变换器整流管耐压分别为 V0/D 和 V0/(1D)，因此当占空比远离 时，会导致其中一只二极管耐压非常高，然而 LLC 谐振变换器整流二极管电压应力为输出电压的 2 倍，不受输入电压变化影响。 由于输出二极管通态压降与其电压应力有关，所以 LLC 谐振变换器在宽输入电压范围内效率较高。 （ 4）从输出整流二极管反向恢复情况看，不对称半桥变换器输出 整流二极管是硬关断，反向恢复严重，损耗较大；而 LLC 谐振变换器输出整流二极管 ZCS软关断，损耗较小，提高变换器效率。