【正文】 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。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。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。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。 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。 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)。 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。設(shè)： 1( ) sin ( )p p si t I w t ??? (223) C fR LV pi pV pN V ooR LV p 1i pV oRD 5D 6V oN11 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。線的頻率點 wR與負載大小密切相關(guān)。 a) 輕載時輸入阻抗 b) 重載時輸入阻抗 c) 輸出阻抗 圖 從圖 中可以看出，輸入阻抗的幅頻特性存在波谷，當(dāng) |Zin(jws)|達 最小值時， 19 諧振電流達最大值，負載上輸出電壓相應(yīng)達到最大值。當(dāng) wsw0時，輸出電壓相位總是超前輸入電壓。 v sL r C rL m RZ in Z outv s RZ in Z outH(s)i r i out i r i outv o 圖 諧振網(wǎng)絡(luò)等效電路 232rr()H ( s ) =1( ) + s C ( + ) +s+sCmo r mmms r r m r m mrms R LV s s R C LR s Ls R LV s s C L L R L L s L RLR s L?????? (217) 17 設(shè) mrLh L? ， 0rrZ w LQ RR?? ，0sn ww w? 則幅頻特性和相頻特性分別為： 2ns 22 2 2 2 2 2n n nhwH ( jw )1 w ( 1 + h ) w ( 1 w )hQ? ?????? (218) 2nns 2nQ w (1 w )H ( jw ) 1 8 0 a r c 1 w (1 + )htg h??? ? ? ????? (219) 設(shè) Lr=21μ H， h=5， Cr=，諧振頻率 w0=,則不同負載條件下，H(s)的頻率特性如圖 ： a) 輕載情況 (R=100Ω ) b) 重載情況 (R=15Ω ) 圖 H(s)頻率特性 圖 表明，負載較重 (R=15Ω )時，諧振網(wǎng)絡(luò)在 ws=w0處產(chǎn)生諧振峰值；負載較輕 (R=100Ω )時，諧振網(wǎng)絡(luò)在 ws=w1處產(chǎn)生諧振峰值，而且輸出電壓相位正好超前輸入電壓 90176。 a) ws/w0= b) ws/w0= c) ws/w0=1 d) ws/w0= 圖 |in|/|i1|與 Q和 ws/w0關(guān) 系曲線 1)．逆變部分： 設(shè)諧振網(wǎng)絡(luò)為感性，電感電流為正弦信號，且只含基波分量，相位滯后φ角。當(dāng)然，這種近似是有一定誤差的。 ws/w0=， Q＝ 時， 3， 5， 7 次諧波電流分別為基波電流的 10%， %， %。 LLC 串聯(lián)諧振變換器的等效電路和數(shù)學(xué)模型建立 LLC 串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)等效電路和輸入電壓波形如圖 所示 (Ts為開關(guān)周期， ws為開關(guān)角頻率， w0為諧振角頻率 )。對比圖 可知， LLC串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器與移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器的主要區(qū)別有三點： 1). 在諧振網(wǎng)絡(luò)中增加了一個諧振電容 Cr，由于 Cr串聯(lián)在變壓器的原邊，實際 13 上也起到隔直作用，使變壓器不容易飽和。 LLC串聯(lián)諧振變換器工作原理分析和工作區(qū)域劃分 LLC 串聯(lián)諧振全橋 DC/DC 變換器主電路如圖 。而 IGBT 的輸出電容比 MOSFET 小得多，斷態(tài)時電容上儲存的能量較小，故開通損耗較小。通過以上分析，可以得出結(jié)論： MOSFET 的輸出電容較大， IGBT 存在拖尾電流現(xiàn)象。對 IGBT 來說，流經(jīng) N－ 漂移區(qū)的電子在進入 P＋ 區(qū)時，會導(dǎo)致正電荷載流子 (空穴 ) 12 由 P+區(qū)注入 N區(qū)。在開關(guān)過程中，等效電容大小隨時間變化。本節(jié)分析對比了 IGBT 和 MOSFET 的開關(guān)損耗產(chǎn)生機理，為 LLC 諧振變換器工作區(qū)域的確定提供了依據(jù)。 MOSFET 和 IGBT 性能比較 為適應(yīng)電力電子裝置高頻化的要求，電壓驅(qū)動型開關(guān)器件 IGBT、 MOSFET 被廣泛應(yīng)用。為取得較高的效 率，移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器通常設(shè)計在輸入電壓較低，占空比較大時工作。此時 D D6存在 反向恢復(fù)問題，整流電壓 Vr出現(xiàn)振蕩，二極管反向電壓出現(xiàn)尖峰。當(dāng)輕載時電流 I2較小，故滯后橋臂難于實現(xiàn) ZVS。兩個橋臂上的開關(guān)管實現(xiàn) ZVS都需要相應(yīng)的并聯(lián)諧振電容能量釋放為零，二極管自然導(dǎo)通。 階段 6[t5－ t6]： t5時刻，變壓器原邊電流 ip增加至 If/K(K 為變壓器變比 )， D D6換流過程結(jié)束，If由二極管 D6單獨提供。 階段 4[t3－ t4]： t3時刻， C4電壓充至 Vin， C3電壓放為零，二極管 D3自然導(dǎo)通 Vc3=0。雖然 T2被開通，但 T2并沒有電流流過，原邊電流由 D2流通。電容 C1的電壓從零開始線性上升，電容 C2的電壓從 Vin開始線性下降，在 t1時刻， C2的電壓下降到零， T2的反并二極管 D2自然導(dǎo)通，將 T2的電壓箝在零電位。 D 6D 5T 1D 1C 1T 2D 2C 2T 3D 3C 3T 4D 4C 4V inL rR LL fC fABi p I fK :1V o 圖 移相全橋 PWM ZVS DC/DC變換器基本電路 移相全橋 PWM ZVS 變換器的主要工作波形如圖 。 C1～ C4分 別是 T1～T4的諧振電容，包括寄生電容和外接電容。而 LLC 串聯(lián)諧振變換器能夠有效地克服移相全 PWM ZVS變換器的缺點。 4). 實驗結(jié)果和全文總結(jié) 為了驗證理論分析的正確性，本文給出實驗的波形和實驗數(shù)據(jù)并對實 驗 結(jié)果 進行了詳細分析，得出了實驗結(jié)論。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。本文的主要內(nèi)容如下： 1). LLC串聯(lián)諧振全橋 DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理分析 在分析移相全橋 PWM ZVS DC/DC變換器缺點和分析對比 MOSFET和 IGBT各自特點的基礎(chǔ)上，確定了 LLC串聯(lián)諧振全橋 DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)，建立了變換器的數(shù)學(xué)模型，詳細分析研究了 LLC串聯(lián)諧振全橋 DC/DC變換器的特點和電路的工作過程。軟開關(guān)技術(shù)的采用，提高 6 了變換器的工作頻率，降低了開關(guān)損耗，減小了功率元件的電壓電流應(yīng)力，但其中仍有許多問題有待解決，如進一步擴大功率使用范圍，完善控制技術(shù)，提高工作可靠性等。 (4)零轉(zhuǎn)換 PWM 變換器 Zero transition converters 它可分為零電壓轉(zhuǎn)換 PWM變換器和零電流轉(zhuǎn)換 PWM變換器 .這類變換器是軟開關(guān)技術(shù)的又一個飛躍。多諧振變換器一般實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，這類變換器通常需要采用調(diào)頻控制的方法。在全諧振變換器中諧振元件一直諧振工作參與能量變換的全過程，該變換器與負載關(guān)系 很大，一般采用頻率調(diào)制方法。從能量的角度來看，它是將開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中消耗掉，這種方法對變換器的變換效率沒有 提高甚至?xí)剐视兴档汀?諧振直流環(huán)節(jié)的最大進步在于用高頻脈沖序列為逆變器供電，代替原來的恒壓供電方式。通常逆變器中存在著多個開關(guān)，若每個開關(guān)都采用類似 DC/DC 變換器中的軟開關(guān)工作方式，則構(gòu)成軟開關(guān)的諧振單元相互影響，使電路難以正常工作。開關(guān)損耗的存在限制了開關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的小型化輕量化； (2)開關(guān)管工作在硬開關(guān)時會產(chǎn)生高 di/dt和 dv/dt從而產(chǎn)生大的電磁干擾 (EMI)。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。 采用模塊化技術(shù)可以滿足分布式電源系統(tǒng)的需要，提高系統(tǒng)的可靠性。因為整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。 (5) 電磁兼容 (EMC) 在電力電子裝置中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均為方波，從頻譜分析可知，方波信號含有豐富的高次諧波。由于輸入端有 整流 — 電容元件，AC/DC 開關(guān)電源及一大類整流電源供電的電子設(shè)備 (如逆變器， UPS)等的電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為 ， 80 年代用 APFC 技術(shù)后可提高到 ～ ，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率。 70年代諧振開關(guān)電 3 源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng) PWM 開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作，開關(guān)損耗大。從而使中小型開關(guān)電源 工作頻率可達到 400kHz(AC/DC)和 1MHz(DC/DC)的水平。日本 NemicLambda 公司最新推出的一種采用 軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊 RM系列，其開關(guān)頻率為 200～ 300kHz，功率密度已達到 27w/cm3。如不間斷電源 UPS，系統(tǒng)平時利用充電式電池儲存電能，一旦交流電源中斷，便可以把儲存在電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流 電來維持正常供電。 (1)整流：實現(xiàn) AC/DC 變換 AC/DC 變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的。光、熱、化學(xué)反應(yīng)和機械能的調(diào)節(jié)和控制，可以通過改變通用設(shè)備電源電壓的大小或頻率方便地實現(xiàn)。 當(dāng)今世界環(huán)境保護問題日益嚴重，廣泛采用電力電子技術(shù)后，可以節(jié)省大量的電力 ，這就可以節(jié)約大量資源和一次能源，從而改善人類的生活環(huán)境。 converter can achieve high efficiency in low input DC voltage co