基于LLC谐振电路带APFC的两级变换器的研究

摘要

电力电子技术和功率器件的发展促进了开关电源的高速发展，一方面由于材料成本和体积重量的减小要求开关电源能实现高频化和高功率密度，另一方面由于谐波污染和能源危机要求开关电源能实现高功率因数和高效率，所以论文根据开关电源的发展趋势和课题要求，采用两级式AC/DC变换器结构来设计开关电源，前级是具有有源功率因数校正（APFC）作用的单周期控制的Boost电路拓扑，后级是具有减小开关损耗的软开关LLC谐振电路拓扑。
　　论文首先分析了单周期控制的基本原理以及单周期控制在BoostAPFC电路中的实现方法，并对单周期控制的两种调制模式即前沿调制和后沿调制以及单周期控制的稳定性进行了理论分析，进而实现了主电路的参数设计。同时基于状态空间平均法建立了Boost电路的小信号模型，对平均电流控制和单周期控制的控制器设计进行了理论分析和软件仿真，验证了单周期控制和平均电流控制都可以实现很好的功率因数校正。最后结合控制芯片IR1150完成了整个控制电路的设计。
　　其次根据LLC谐振电路在不同开关频率区间的工作原理，着重分析了小于谐振频率的各个工作模态，并利用基波分析法建立了LLC谐振电路的稳态模型，详细分析了三元件谐振网络的输入阻抗及电压增益与开关频率的关系，确定了软开关的工作频率范围。同时研究了谐振网络参数对电压增益、电流增益和恒功率输出的影响，为不同输出模式的LLC谐振网络的参数设计提供了理论指导，从而保证LLC谐振电路在不同输出模式下都能一直实现原边MOSFET的零电压开通。论文根据稳态分析及相应的设计要求，实现了LLC主电路的参数设计，同时采用扩展描述函数法对LLC进行小信号建模，为其控制器的设计提供理论指导，最后结合控制芯片L6599完成了整个控制电路的设计。
　　最后论文根据上述研究和分析，研制了一个前级最大输出300W，后级最大输出120W的两级变换器的实验样机，并分别对前级BoostAPFC电路和后级LLC谐振电路进行了实验测试和分析，证明了整个设计方案的正确性和可行性，从而保证了样机具有高功率因数和高效率。

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目录

1 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的意义

1.2 功率因数校正技术

1.3 DC-DC变换技术

1.4研究的主要内容

2 单周期控制APFC的分析和设计

2.1 单周期控制APFC技术

2.2 主电路参数设计

2.3 小信号建模和控制回路分析

2.4 APFC仿真对比

2.5 本章小结

3 LLC谐振电路的分析和设计

3.1 LLC谐振电路

3.2 LLC的工作原理和主要波形

3.3 基于FHA的LLC稳态建模

3.4 半桥LLC的参数设计

3.5 LLC的小信号建模

3.6 本章小结

4 单周期控制APFC和半桥LLC控制电路设计

4.1 单周期控制APFC控制电路设计

4.2 半桥LLC谐振电路的控制电路设计

4.3本章小结

5 实验验证

5.1 实验装置

5.2 单周期控制APFC实验波形及分析

5.3后级半桥LLC实验波形及分析

5.3整机测试

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续工作及展望

致谢

参考文献