【導(dǎo)讀】體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中。以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到，本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在_____年解密后適用本授權(quán)書。高頻化、高功率密度和高效率，是DC/DC變換器的發(fā)展趨勢。開關(guān)管的ZVS，但滯后橋臂實現(xiàn)ZVS的負載范圍較?。徽鞫O管存在反向恢復(fù)問題，維持時間限制的高性能開關(guān)電源。LLC串聯(lián)諧振DC/DC變換器是直流變換器研究領(lǐng)域。的熱點，可以較好的解決移相全橋PWMZVSDC/DC變換器存在的缺點。作過程較為復(fù)雜，難于設(shè)計和控制，目前尚處于研究階段。仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。型的基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)動態(tài)性能的要求設(shè)計了控制器。以給實際裝置的設(shè)計提供參考。實驗結(jié)果驗證了理

　　

【正文】 1 N V oi pD 5 導(dǎo) 通 D 6 導(dǎo) 通oi D 5 、 i D 6N I pI oI oψw s tw s t 圖 整流部分等效電路 當(dāng) ip0 時 ,D5導(dǎo)通， Vp=NVo；當(dāng) ip0時 ,D6導(dǎo)通， Vp=NVo。故原邊電壓為幅值為 NVo的方波信號 ,周期為 Ts。其傅立葉展開式為 1 , 3 , 5 ,. . .41( ) s i n ( )opsnNVv t n w tn ?? ????? (224) 基波分量為： 1 4( ) sin ( )opsNVv t w t ???? (225) 1114 s i n ( )() 4( ) s i n ( )o sp op p s pNV wtvt NVR i t I w t I?? ???? ? ?? (226) 20 整流電路輸出電流平均值為： /2 11022 s i n ( )Ts po p ssNII N I w t d tT ? ?? ? ?? (227) 12ooLopVVR I N I??? (228) 等效電路負載電阻與實際負載電阻的關(guān)系為： 228 LNRR?? (229) 整流電路輸入功率和輸出功率分別為： 2 2 211242ppin LI N IP R R??? (230) 221224 po u t o L LNIP I R R??? (231) Pin＝ Pout，可見等效電路功率平衡。 4).變換器等效模型和直流電壓變換特性： 將以上各部分等效電路進行級聯(lián)，就可以構(gòu)成 LLC串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器基于基波近似法建立的等效電路模型，如圖 所示： C f R LV pi pV oN11I oV inL r C rL mV in H(s) R L V or12Ic o s ??ins4Vsi n w t?r 1 sI si n( w t )??psI sin( w )??2L28NR?p2NI?Zin 圖 LLC串聯(lián)諧振全橋 DC/DC變換器等效電路 根據(jù)圖 可以得出直流電壓比 M為： 21 22 ()24 ()8 so Lsi n L H j wVNM R H j wV N R N???? ? ? (232) 令上式中 RL→∞，即 Q→ 0 可以得到變換器空載電壓變比 Mopen : 2n2nhw0 1 w (1 + h )oo p e ninVM QV N??? ? (233) 根據(jù)式 (232)可以做出變換器的直流電壓變換特性 [8][17]如圖 所示。 圖 LLC串聯(lián)諧振變換器直流電壓增益特性 (h=5) 圖 表明： LLC 串聯(lián)諧振變換器變比 M 隨頻率變化而變化。特性曲線存在兩個不同的諧振頻率： w0和 w1，隨著負載增大 (即 Q值增大 )，特性曲線峰值所對應(yīng)的頻率 逐漸增大。當(dāng)開關(guān)角頻率 ws=w0時，變比 M 與負載大小無關(guān)而恒等于 1。當(dāng) M1 時，變換器為升壓特性；當(dāng) M1時，變換器為降壓特性。 以上詳細分析了 LLC 串聯(lián)諧振 DC/DC 變換器的數(shù)學(xué)模型建立過程，推導(dǎo)了變換器的等效電路，由此得出了直流電壓變換特性，為變換器工作區(qū)域的確定提供了理論依據(jù)。在建立模型時，用到了基波分量近似法。當(dāng)開關(guān)頻率與諧振頻率相差不大時，該方法所引起的誤差對變換器穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域的分析確定影響不大。 LLC 串聯(lián)諧振變換器穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域確定 1)．諧振變換器 ZVS、 ZCS 條件分析 [16]： 當(dāng)開關(guān)管互補 對稱驅(qū)動且并聯(lián)電容與主電路諧振電容數(shù)值相差較大時，諧振變換 22 器實現(xiàn) ZVS 和 ZCS 條件，基本上可以由諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的性質(zhì)確定 ， 如圖 ： V i nZ i nv si rT 1D 1T 2 D 2T 3D 3T 4 D 4oti rv sφti rv sφT s / 2 T sT s / 2 T s驅(qū) 動 T 1 、 T 4 驅(qū) 動 T 2 、 T 3 驅(qū) 動 T 1 、 T 4 驅(qū) 動 T 2 、 T 3( a ) Z i n 為 感 性 ( b ) Z i n 為 容 性t 1 t 2 t 1 t 2 圖 諧振電路 ZVS、 ZCS條件 各時間段導(dǎo)通開關(guān)管如表 ： 表 諧振全橋變換器開關(guān)管導(dǎo)通情況表 時間段 0～ t1 t1～ Ts/2 Ts/2～ t2 t2～ Ts 主開關(guān)工作條件 Zin為 感性 D D4 T T4 D D3 T T3 開通 ZVS，硬關(guān)斷 Zin為容性 T T4 D D4 T T3 D D3 硬開通，關(guān)斷 ZCS 當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗 Zin為感性 (如圖 )時，輸入電流 ir滯后于輸入電壓 vs角度φ ，在主開關(guān)管被驅(qū)動之前，其寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，主開關(guān)管兩端電壓被箝位至零，故主開關(guān)管為 ZVS，而驅(qū)動信號被撤走時，主開關(guān)管中還流過電流，故為硬關(guān)斷； 當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗 Zin為容性 (如圖 b)時，輸入電流 ir超前于輸入電壓 vs角度φ ，在主開關(guān)被驅(qū)動之前，由于同一橋臂另一開關(guān)管的寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，主開關(guān)管兩端電壓被箝位至輸入電壓 Vin，故為硬開通 ，而驅(qū)動信號被 撤走時，主開關(guān)管中電流為零，諧振電流流過 寄生 (反并 )二極管， 故主開關(guān)管為 ZCS。由于主開關(guān)管實現(xiàn) ZVS 或 ZCS的條件僅由諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓和電流的相位關(guān)系確定，故只要諧振電流 ir為與輸入電壓 vs同頻率的周期信號，以上分析結(jié)論就成立。分析中諧振電流 ir僅含基波成分，但結(jié)論同樣適用于諧振電流 ir中除了含基波分量以外，也含有 3， 5，7? 次諧波的情況 (如多諧振變換器等 )。由于當(dāng)變換器負載一定時，諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗 Zin的性質(zhì)是確定的，因此通常諧振變換器不能同時實現(xiàn) ZVS 和 ZCS，要同時實現(xiàn)ZVS 和 ZCS，往往需要在副方 增加一些輔助電路，這樣會增加電路的復(fù)雜性。 Zin的性質(zhì)由 Zin的虛部決定，當(dāng) Im(Zin(jws))0時， Zin(jws)為感性；當(dāng) Im(Zin(jws))0時， Zin(jws)為容性；當(dāng) Im(Zin(jws))=0 時， Zin(jws)為純阻性。 23 2).LLC 串聯(lián)諧振變換器工作區(qū)域劃分： LLC 串聯(lián)諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的虛部為： 42m 4 2 2 4 21 6 4I ( ( ) ) 64L m si n s s r s r s m LN R L wZ j w w L w C w L N R?? ? ? ? (234) Im(Zin(jws))和 ws， Q(對應(yīng)于負載大小 )的關(guān)系如圖 所示。由圖 可見，Im(Zin(jws))的過零點與負載大小 (Q值 )有關(guān)：當(dāng)開關(guān)角頻率 ws小于諧振角頻率 w0時，Im(Zin(jws))的過零點所對應(yīng)的頻率值隨負載 RL減小而增大，極限值為 ws=w0；當(dāng) ws大于 w0時， Im(Zin(jws))恒為正值，與負載大小無關(guān)。根據(jù)圖 可以劃分 LLC 串聯(lián)諧振變換器的工作區(qū)域 [8][17]如圖 ， 虛線所示為工作區(qū)域邊界 。當(dāng)變換器工作于區(qū)域 1 和 2 時 (即對應(yīng)于圖 中 Im(Zin(jws))0 的部分 )，變換器主開關(guān)管為 ZVS；當(dāng)變換器工作于區(qū)域 3時 (即 對應(yīng)于圖 中 Im(Zin(jws))0 的部分 )，變換器主開關(guān)管為 ZCS。由于 LLC 諧振變換器工作頻率高，開關(guān)管選擇為 MOSFET，根據(jù) 節(jié)所得結(jié)論，可知 LLC 串聯(lián)諧振變換器穩(wěn)態(tài)時應(yīng)該工作于區(qū)域 1 或 2，而應(yīng)避免進入?yún)^(qū)域3，這樣可以保證 MOSFET 工作于 ZVS 環(huán)境下，從而大大降低 MOSFET 的開關(guān)損耗。 a) Im(Zin(jws)) 與 ws 和 Q 的 關(guān) 系 b)工作區(qū)域劃分圖圖 LLC串聯(lián)諧振變換器工作區(qū)域劃分 3)． LLC 串聯(lián)諧振變換器實現(xiàn) ZVS 的負載范圍確 定 從圖 可以看出：當(dāng) wsw0時，不論負載大小如何，變換器始終工作于 ZVS 環(huán)境；當(dāng) wsw1時，不論負載大小如何，變換器始終工作于 ZCS 環(huán)境。當(dāng) w1wsw0時，變換器工作情況和負載大小有關(guān)：當(dāng)負載電阻較小 (Q 較大 )時，變換器工作于 ZCS條件；當(dāng)負載電阻較大 (Q 較小 )時，變換器工作于 ZVS 條件。因此有必要進一步確定當(dāng)w1wsw0時，變換器工作于 ZVS 和 ZCS 條件的邊界負載條件。令 Im(Zin(jws))=0： 24 424 2 2 4 21 6 4 064L m ssr s r s m LN R L wwL w C w L N R?? ? ?? (235) 解方程可得： 222218 (1 ) 1r n nLbnhZ w wR N h w? ?? ?? (236) 其中 Zr為特征阻抗， wn=ws/w0。當(dāng) RLRLb,時，變換器工作于 ZVS 條件；當(dāng) RLRLb,時，變換器工作于 ZCS 條件。圖 顯示了 RLb與 wn的關(guān)系。圖 表明：當(dāng) wsw0時，邊界負載電阻 RLb=0；當(dāng) w1wsw0時， RLb隨 ws的增大而減小，即開關(guān)頻率越大，越容易實現(xiàn) ZVS；當(dāng) wsw1時， RLb為虛數(shù)。至此， LLC 串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)得到詳細劃分。 圖 RLb與 Wn的關(guān)系曲線 4). 諧振電流和負載電流的關(guān)系： 由于諧振電流 ir流過開關(guān)管和變壓器原邊， ir的大小決定了開關(guān)管和原邊損耗，故有必要對 ir大小隨開關(guān)頻率 ws變化關(guān)系以及 ir和負載電流 IO的大小關(guān)系做詳細研究，為主電路設(shè)計提供依據(jù)。當(dāng)輸入電壓 Vin和輸出電壓 Vo一定時，諧振電流和負載電流大小可以直接由諧振網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗 Zin和負載電阻 RL大小確定。諧振網(wǎng)絡(luò) H(S)為二端口網(wǎng)絡(luò)，可以用阻抗型參數(shù) [16][18]表示： 1 1 1 22 1 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )s r o u to r o u tV s Z s I s Z s I sV s Z s I s Z s I s????? (237) 其中各參數(shù)定義如下： 25 11 ()( ) ( )( ) 0()s ioutrVsZ s Z sIsIs ???? 12 ()() ( ) 0()s routVsZs IsIs? ?? 21 ()() ( ) 0()o outrVsZs IsIs? ? 22 ()( ) ( )( ) 0()o oroutVsZ s Z sIsIs ?????(238)式中 Zi∞ (s),Zo∞ (s)分別表示輸出開路時的輸入阻抗和輸入開路時的輸出阻抗。定義輸出短路時的輸入阻抗 Zi0(s)和輸入短路時的輸出阻抗 Zo0(s)分別為： 1 2 2 10 1 122( ) ( ) ( )( ) ( )( ) 0( ) ( )siorV s Z s Z sZ s Z sVsI s Z s? ? ?? (239) 1 2 2 10 2 211( ) ( ) ( )( ) ( )( ) 0( ) ( )oosoutV s Z s Z sZ s Z sVsI s Z s? ? ??? (240) 將 ()()ooutVsR Is?代入式 (237),則網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗可以用阻抗型參數(shù)表示為： 1 2 2 11122( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )sinrV s Z s Z sZ s Z sI s Z s R? ? ? ? (241) 將 Z11(s),Z12(s),Z21(s),Z22(s)用 Zi∞ (s),Zo∞ (s),Zi0(s),Zo0(s)表示，可以得到： 0 ()( ) ( ) ()oin ioR Z sZ s Z s R Z s???? ? (242) 理想情況下，諧振網(wǎng)絡(luò)由純電感和純電容組成。故 Zi∞ (jws),Zo∞ (jws),Zi0(jws),Zo0(jws)為純虛數(shù)，下式成立： 2222 022()( ) ( ) ()osin s i s osR Z jwZ jw Z jw R Z jw? ??? ? (243) 2 2 22 0222