3kW全桥LLC谐振变换器中宽输出电压技术的研究

摘要

全桥LLC谐振变换器以其效率高、器件电应力小、宽范围软开关等优点，在大功率场合得到广泛应用。然而，LLC谐振变换器采用的传统基波近似设计法为其带来增益误差大和宽调频范围导致磁性元件难设计/系统损耗高等问题，同时其超低电压输出难以实现。以上问题使得全桥LLC谐振变换器难以实现宽输出电压范围，从而限制了该类变换器在车载充电等领域的应用。
　　本文基于全桥LLC谐振变换器的时域模态分析，建立了全桥LLC谐振变换器的输出电压范围与工作频率范围、谐振电容容值和谐振电感感值之间的解析模型，从而可较准确并直观地选择工作频率范围和谐振参数。此方法在提高设计增益精度的同时，可以使相同宽输出电压范围下的工作频率范围更窄。据此模型，本文给出了在既定工作频率范围下，关键电路损耗与当前工作频率和谐振参数的解析关系。利用此解析关系，谐振参数的设计得到进一步的优化，可以兼顾工作频率范围和电路损耗的优化设计。最后，本文还提出了一种单脉冲突发控制模式，此模式下超低压输出的控制实现十分简单。基于此模式控制，变换器可输出一路纹波较小的超低电压并保证了超低压输出时的快速启动。
　　本文通过设计制作一台全桥LLC谐振变换器样机进行测试验证，结果表明:系统在输出电压为126.7V～256.1V的宽范围下，变换器的工作频率范围仅为115kHz～195kHz，同时全输出电压范围中系统峰值效率达95.3％;变换器输出20V/2A超低电压时的输出电压纹波为5.8V左右，超低压启动时间为1ms左右。测试结果满足拟设计指标要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 实现宽输出电压范围的现有问题

1．2．2 宽输出电压的谐振参数设计方法

1．2．3 宽输出电压的拓扑及控制策略

1．3 主要研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 全桥LLC谐振变换器的原理和模式分析

2．1 主电路拓扑结构

2．2 全桥LLC谐振变换器的时域模态分析

2．2．1 谐振回路的时域分析

2．2．2 谐振回路的工作模式

2．3 最优模式及边界条件分析

2．3．1 最优模式的时域分析

2．3．2 最优模式的解析解近似

2．3．3 宽输出电压范围下最优模式的边界条件

2．4 本章小结

第三章 宽输出电压范围下谐振参数设计及控制策略

3．1 宽输出电压时窄变频范围分析

3．1．1 最高工作频率点分析

3．1．2 最低工作频率点分析

3．2 宽输出电压时效率优化分析

3．2．1 最优模式下的损耗分析

3．2．2 加入效率优化的统一模型

3．3 超低压输出时单脉冲突发控制原理

3．3．1 脉冲突发控制的低压输出原理

3．3．2 单脉冲突发控制下的模态分析

3．4 超低压输出时单脉冲突发控制策略

3．4．1 单脉冲突发控制策略

3．4．2 全脉冲工作启动策略

3．5 谐振参数及控制策略的仿真分析

3．5．1 系统仿真电路

3．5．2 系统仿真结果

3．6 本章小结

第四章 宽输出电压范围变换器系统的设计与实现

4．1 整体硬件框图

4．2 主功率拓扑原边电路设计

4．3 主功率变压器设计

4．4 主功率拓扑副边电路设计

4．5 控制电路设计

4．5．1 采样电路

4．5．2 MCU模块

4．5．3 隔离栅驱动电路

4．6 本章小结

第五章 系统测试与结果分析

5．1 系统样机简介

5．2 输出常电压范围测试

5．3 超低输出电压及启动测试

5．4 测试总结

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介