高效率快速动态响应LCC谐振变换器研究

摘要

随着对电力电子变换器效率、体积要求的不断提高，谐振变换器因其高功率密度、高工作效率、低电磁干扰(Electromagnetic Interferenc，EMI)等特点得到了广泛重视和应用。LCC谐振变换器作为三元件谐振变换器的一种，结合了串联和并联谐振变换器的优点，并在开关频率变化范围较窄的同时，保留了空载调压能力与轻载环流损耗小的优点，是一种具有良好前景的DC-DC变换器。　　首先，根据LCC谐振变换器传统变频调制与定频调制存在的问题，本文采用了PWM-PFM混合调制策略。当LCC谐振变换器的输入电压或输出负载发生变化时，通过同时改变变换器的开关频率和导通角，实现输出调节的目的。为在混合调制策略的基础上进一步提高变换器的工作效率，利用同步整流技术设计副边整流电路。通过基波近似法对PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器进行建模，建立其稳态工作模型并进行参数设计。研究结果表明：与传统的变频/定频调制LCC谐振变换器相比，同步整流PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器能够在较窄的开关频率变化范围内实现较宽的软开关范围，提高变换器工作效率，同时降低了设计难度。时域仿真及实验结果验证了理论分析的正确性。　　其次，针对传统电压控制LCC谐振变换器的瞬态响应性能较差的问题，本文将电荷控制技术应用于LCC谐振变换器中，详细分析了电荷控制LCC谐振变换器的工作原理，并通过扩展基波近似法建立其稳态工作模型。采用描述函数法建立电荷控制及传统电压控制LCC谐振变换器的小信号模型，并得到了相应的控制—输出电压传递函数和环路增益表达式，且通过频域仿真验证了理论建模的正确性。研究结果表明：与电压控制相比，电荷控制LCC谐振变换器具有更快的输入及负载瞬态响应速度，同时电荷控制技术能够明显减小输入瞬态的超调量。时域仿真和实验验证了理论分析的正确性。　　最后，根据电荷控制LCC谐振变换器负载瞬态超调量较大的问题，为全面改善变换器的负载瞬态响应性能，提出了叠加输出滤波电容电流的改进型电荷控制LCC谐振变换器，通过在电荷控制的电压外环中叠加输出滤波电容电流，在变换器控制环路中引入新的输出信息量，以进一步改善变换器的负载动态特性。采用描述函数法建立改进型电荷控制LCC谐振变换器的小信号模型，并与电荷控制LCC谐振变换器进行比较，通过频域仿真验证分析的正确性。研究结果表明：叠加输出滤波电容电流的改进型电荷控制LCC谐振变换器能够在不影响输入及负载瞬态响应速度的前提下减小负载瞬态响应的超调量，同时减小输出电压震荡幅度，提高变换器的输出稳压精度。实验结果验证了理论分析的正确性。

目录

声明

第1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 谐振变换器

1.2.1 串联谐振变换器

1.2.2 并联谐振变换器

1.2.3 串并联谐振变换器

1.3 LCC谐振变换器研究现状

1.3.1 LCC 拓扑结构

1.3.2 LCC 建模方法

1.3.3 调制及控制方式

1.4 同步整流

1.5 论文的主要工作

1.5.1 章节安排

1.5.2 主要工作贡献

第2 章 同步整流PWM-PFM混合调制LCC 谐振变换器

2.1 同步整流PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器工作原理

2.1.1 拓扑结构及工作模式分析

2.1.2 控制原理及具体实现方式

2.2 同步整流PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器分析

2.2.1 稳态分析

2.2.2 软开关分析

2.3 同步整流PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器参数设计

2.3.1 主电路参数设计

2.3.2 控制参数设计

2.4 同步整流PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器仿真

2.5 同步整流PWM-PFM混合调制LCC谐振变换器实验

2.6 本章小结

第3 章 电荷控制LCC 谐振变换器研究

3.1 电荷控制LCC 谐振变换器工作原理

3.2 电荷控制LCC 谐振变换器理论分析

3.2.1 稳态分析

3.2.2 小信号建模分析

3.3 电荷控制LCC 谐振变换器仿真分析

3.3.1 稳态仿真分析

3.3.2 瞬态仿真分析

3.4 电荷控制LCC 谐振变换器实验验证

3.4.1 稳态实验结果

3.4.2 瞬态实验结果

3.5 本章小结

第4 章 改进型电荷控制LCC谐振变换器的小信号建模与分析

4.1 改进型电荷控制LCC谐振变换器工作原理

4.2 改进型电荷控制LCC谐振变换器小信号建模分析

4.2.1 输出滤波电容的小信号模型

4.2.2 改进型电荷控制LCC 谐振变换器功率级小信号模型分析

4.2.3 改进型电荷控制LCC 谐振变换器环路增益分析

4.3 改进型电荷控制LCC谐振变换器仿真分析

4.3.1 稳态仿真分析

4.3.2 瞬态仿真分析

4.4 改进型电荷控制LCC谐振变换器实验验证

4.4.1 稳态实验结果

4.4.2 瞬态实验结果

4.5 本章小结

结 论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果