【正文】 全橋 PWM ZVS DC/DC變換器存在的問題，使得 LLC 諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。 本課題以全橋 LLC諧振變換器為研究內(nèi)容，并與移相全橋 PWM ZVS DC/DC 變換器進(jìn)行比較，總結(jié)二者優(yōu)缺點(diǎn)，接著對(duì)變換器工作原理進(jìn)行詳細(xì)研究，建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用 MATLAB 仿真證明理論分析的正確性。 具體工作的步驟、內(nèi)容、要求安排如下： ，介紹研究的背景。 ，建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用 MATLAB 仿真證明理論 分析的正確性。 Ⅲ、進(jìn)度安排： 第 1 周～第 2 周（ 2 周）：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，收集、查閱和研究學(xué)習(xí)相關(guān)的信息和資料：確定相應(yīng)的技術(shù)方案和實(shí)施過程及規(guī)劃； 第 3 周～第 5周（ 3 周）：撰寫論文初稿，查閱相關(guān)資料進(jìn)行修改； 第 6 周～第 9周（ 4 周）：設(shè)計(jì)電路圖，調(diào)試硬件； 第 10 周～第 12 周（ 3周）：完成 MATLAB 軟件設(shè)計(jì)； 第 13 周～第 14 周（ 2周）：充實(shí)論文，后期檢查整改。 02 2020, 943948 [5] L. Krupskiy, V. Meleshine, A. Nemchinov, Unified Model of the Asymmetrical Half Bridge for Three Important Topological Variations,” Proc, IEEE INTELEC’99, 1999, [6] 丁道宏，楊東平，串聯(lián)輸出諧振變換器開關(guān)特性和效率分析，電力電子技術(shù)， 1994 年第一期， 29~32 [7] 丁道宏，陳玉水，并聯(lián)輸出 DCDC 諧振變換器的穩(wěn)態(tài)輸出與數(shù)字仿真，南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 1994， 26（ 2）： 177~186 [8] 王衛(wèi)，張雷，李可，半橋串并聯(lián)諧振電源的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1996， 28（ 1）：69~75 [9] 周偉成， 3kW LLC 諧振式模塊化通信電源 [碩士學(xué)位論文 ]，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2020 指導(dǎo)教師：（簽名： ）， 2020 年 月 日 學(xué)生姓名：（簽名： ），專業(yè)年級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化 09 級(jí) 系負(fù)責(zé)人審核意見（從選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、是否結(jié)合科研或工程實(shí)際、綜合訓(xùn)練程度、內(nèi)容難度及工作量等方面加以審核）： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽字： ， 2020 年 月 日 河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 I 摘 要 隨著軟開關(guān)技術(shù)和并聯(lián)均流的發(fā)展，高性能的大功率高頻開關(guān)電源的研究與開發(fā)已成為電力電子領(lǐng)域的重要研究方向，高頻化 ,高效率，高功率密度和低損耗，低 EMI 噪聲是 DC/DC 變換器的發(fā)展趨勢(shì)，全橋 LLC 諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)全負(fù)載范圍下原邊開關(guān)管 ZVS，副邊整流管 ZCS,有效解決了移相全橋 PWM ZVS DC/DC變換器存在的問題，使得 LLC 諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其次，利用基波分析方法建立變換器數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)輸入 電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率以及負(fù)載的關(guān)系，分析 LLC 諧振變換器空載特性和短路特性，推導(dǎo)感性和容性區(qū)域邊界條件，確定變換器穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域，確定主開關(guān)管實(shí)現(xiàn) ZVS 條件，分析系統(tǒng)小信號(hào)模型和設(shè)計(jì)控制器。通過實(shí)驗(yàn)證明了 LLC諧振變換器具有軟開關(guān)特性，電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高，可以實(shí)現(xiàn)高頻化和高功率密度，電路的輸入電壓范圍和輸出功率范圍較寬以及輸出整流二極 管電壓應(yīng)力較低等優(yōu)點(diǎn)。整機(jī)具有穩(wěn)壓精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、輸出雜音低、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。監(jiān)控接口可監(jiān)測(cè)模塊工作狀態(tài)，可進(jìn)行開關(guān)機(jī)控制，均浮充控制，并配有自動(dòng)均流總線接口，均充總線接口。 非并聯(lián)直流變換器采用進(jìn)口 DCDC 模塊組成，具有穩(wěn)壓精度高、輸出噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且體積小、重量輕一般的直流變換器都是單向的，也某些場(chǎng)合也會(huì)有雙向直流變換器來進(jìn)行工作。對(duì)其性能要求越來越高。這樣其平均無故障工作時(shí)間才越來越長，可靠性越來越好。例如：二十年前 Lucent 公司開發(fā)出第一個(gè)半磚 DC/DC 時(shí)，其輸河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 2 出功率才 30W，效率只有 78%。 從八十年代末起，工程師們?yōu)榱丝s小 DC/DC 變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高開關(guān)電源的工作頻率做起，但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積，卻降低了效率。因?yàn)楫?dāng)時(shí) MOSFET 的開關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使 MOSFET 的開關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在。 有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。 VICOR 公司利用該技術(shù)，配合磁元件，將 DC/DC 的工作頻率提高到 1MHZ，功率密度接近 200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒有超過 90%，主要原因在于 MOSFET 的損耗不僅有開關(guān)損耗，還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。 因此，其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破 90%大關(guān)。它采用 P溝 MOSFET 在變壓器二次側(cè)用于 forward 電路拓樸的有源箝位。但這種方法形成的 MOSFET 的零電壓開關(guān)（ ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù)，而且 PMOS 工作頻率也不理想。其特點(diǎn)是在第二代有源 箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用 N 溝 MOSFET。（即四分之一磚 DC/DC 做到 250W 功率輸出及 92%以上的轉(zhuǎn)換效率） [1] 河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 3 軟開關(guān)技術(shù) 60 年代開始使用的 PWM 變換器以其簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式得到廣泛的應(yīng)用。由于線路分布電感和開關(guān)輸出電容的影響，開關(guān)管開通時(shí)電流從零逐步上升，電壓逐步下降，電流上升和電壓下降有個(gè)交迭的過程，使得開通過程有較大功率損耗；類似地，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)也有較大功率損耗。 （ 2）感性關(guān)斷和容性開通問題：由于電路中存在感性元件，當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，在開關(guān)器件兩端產(chǎn)生較高的電壓尖峰， 容易造成開關(guān)器件的電壓擊穿；其次，由于開關(guān)器件中存在寄生電容，器件關(guān)斷時(shí)使寄生電容存儲(chǔ)能量，當(dāng)器件突然開通時(shí)，儲(chǔ)存的能量將會(huì)瞬間耗散在開關(guān)器件內(nèi)，可能會(huì)引起開關(guān)器件過熱損耗，且由于電壓變化快，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的開關(guān)噪聲，會(huì)嚴(yán)重影響器件的驅(qū)動(dòng)電路，從而使電路工作不穩(wěn)定。 傳統(tǒng)解決硬開關(guān)中開關(guān)損耗的方法就是增加緩沖電路使開關(guān)管開通時(shí)電流緩慢上升和關(guān)斷時(shí)電壓緩慢上升，從而改變開關(guān) 軌跡，降低開關(guān)過程中開關(guān)損耗。但是有損緩沖電路的實(shí)質(zhì)就是將功率器件所減少的能耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中，在強(qiáng)緩沖時(shí)反而會(huì)增加開關(guān)電路損耗。因此，軟開關(guān)技術(shù) [1,2,3]就發(fā)展起來了。為了降低成本和減小變換器體積，電源制造商意識(shí)到必須采用新技術(shù)。 河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 4 諧振變換器與諧振電源 諧振變換器是以諧振電路為基本變換單元，利用諧振原理，使開管器件中電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，在開關(guān)管電流自然過零后關(guān)斷開關(guān)管；或在開關(guān)管電壓為零后開通開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn) ZVS 或 ZVS，降低開關(guān)損耗。 串聯(lián)諧振變換器 圖 11 串聯(lián)諧振變換器 圖 11給出串聯(lián)諧振變換器的電路拓?fù)?。D2和 C1amp。 D3amp。諧振電感 Ls和諧振電容 Cs構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，負(fù)載與諧振回路串聯(lián)在一起，諧振回路和負(fù)載構(gòu)成分壓電路，直流電壓增益不會(huì)超過 1，當(dāng)電路工作在諧振頻率時(shí)，諧振回路阻抗最小，輸入電壓全部加在負(fù)載上，此時(shí)增益最大。對(duì)于串聯(lián)諧振變換器來說，工作頻率大于諧振頻率才能實(shí)現(xiàn)原邊功率 MOS 管 ZVS開通。對(duì)于功率 MOS 管來說， ZVS 是最好的選河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 5 擇。圖 12和 13 分別給出了串聯(lián)諧振變換器在諧振點(diǎn)上的主要工作波形以及變換器輸出電壓增益曲線。 其缺點(diǎn)在于： 輕載時(shí)電路工作頻率很高；調(diào)節(jié)范圍比較差，不適合用于設(shè)計(jì)輸入電壓范圍較寬的電源；在輕載或者空載情況下，輸出電壓不可調(diào)；輸出直流濾波電容須承受較大電流脈動(dòng)。它是由兩個(gè)功率 MOS 管 Q1amp。D2 和 C1amp。整流輸出經(jīng) LC 平滑濾波，向負(fù)載傳送能量。濾波電感 L0上電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均為零，所以輸出電壓 V0 為全波整流后電壓的平均值。與串聯(lián)諧振變換器相比，并聯(lián)諧振變換器工作頻率范圍較小。由于負(fù)載是和諧振電容相并聯(lián)的，當(dāng)負(fù)載為零時(shí)，相當(dāng)于只有諧振元件參與工作，此時(shí)諧振回路阻抗較小，諧振回路電流較大，因此循環(huán)能量較高。 圖 15 并聯(lián)諧振變換器的主要波形 圖 16 并聯(lián)諧振變換器的電壓增益曲線 并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)在于： 工作頻率大于諧振頻率時(shí)，原邊 MOS 管實(shí)現(xiàn) ZVS 開通；輸出電流有效值較低；調(diào)節(jié)范圍較寬，變換器可以工作至輕載；輸出采用大濾波電感，對(duì)濾波電容脈動(dòng)電流要求小，適用于低壓大電流的場(chǎng)合。 河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 7 串并聯(lián)諧振變換器 圖 17 串并聯(lián)諧振變換器 如圖 17給出 LCC串并聯(lián)諧振變換器原理圖。對(duì)于 LCC 諧振電路來說，它結(jié)合上述兩電路的優(yōu)點(diǎn)。圖 1 19分別給出變換器工作波形和直流電壓電壓增益曲線。 其缺點(diǎn)是： 調(diào)節(jié)范圍比較窄；輸出濾波電感比較大；由于變壓器原邊漏感無法參加諧振，造成變壓器電壓電流存在一定相位差，導(dǎo)致諧振回路中無功電流增加；電路內(nèi)循環(huán)電流較大，通態(tài)損耗加大。 LLC 串聯(lián)諧振變換器采用調(diào) 頻控制方式（ PFM），即橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管占空比不變，接近 50%；同時(shí)這兩個(gè)開關(guān)管工作頻率根據(jù)工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)，當(dāng) Q1關(guān)斷，諧振電感 Ls、諧振電容 Cs和勵(lì)磁電感 Lm一起諧振，使 Q2輸出電容 C2上電壓變?yōu)榱?，然?D2導(dǎo)通，為 Q2的 ZVS 創(chuàng)造條件。有關(guān)它的工作過程分析和計(jì)算公式的推導(dǎo)，將在下一章節(jié)中展開討論。 其缺點(diǎn)在于： 短路或過流時(shí)，原邊電流較大；電路中電流有效值較大。但是，通過合理的設(shè)計(jì)可以克服這些缺點(diǎn)。移相 PWM 控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件，使開關(guān)管達(dá)到零電壓開通和關(guān)斷。同時(shí)保持了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制方式簡單、開關(guān)頻率恒定、元器件的電壓和電流應(yīng)力小等一系列優(yōu)點(diǎn)。電路不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)時(shí)，將產(chǎn)生以下幾個(gè)后果： 1）由于開關(guān)損耗的存在，需要增加散熱器的體積； 2）開關(guān)管開通時(shí)存在很大的 di/dt； 3）由于副邊二極管的反向恢復(fù)，高頻變壓器副邊漏感上的電流瞬變作用，在二極管上產(chǎn)生電壓過沖和振蕩，所以，在實(shí)際應(yīng)用中須在副邊二極管上加入 R－ C吸收。但是，采用這一方法后，電路仍不能達(dá)到全工作范圍的零電壓開關(guān)。 下面從以下幾個(gè)方面比較兩種變換器進(jìn)行比較： （ 1）在電路結(jié)構(gòu)上， LLC 半橋串聯(lián)諧振變換器相對(duì)不對(duì)稱半橋變換器，無須濾波電感，可以直接采用電容濾波，降低變換器體積，有利于功率密度提高。不對(duì)稱半橋變換器是在不改變開關(guān)頻 率的情況下，通過開關(guān)管占空比改變來調(diào)節(jié)輸出電壓；而 LLC 諧振變換器是在不改變占空比的情況下，通過開關(guān)頻率改變來調(diào)節(jié)輸出電壓。假設(shè)固定匝比 n河海大學(xué)文天學(xué)院學(xué)士論文 10 和輸出電壓 V0，當(dāng)輸入電壓為 300V，占空比為 ，而當(dāng)輸入電壓增大到 400V，占空比只有 ，占空比丟失嚴(yán)重，單個(gè)周期內(nèi)傳遞能量時(shí)間減少，導(dǎo)致在高輸入電壓下變換器效率反而下降。 （ 3）從輸出整流二極管電壓應(yīng)力情況上看，不對(duì)稱半橋變換器整流管耐壓分別為 V0/D 和 V0/(1D)，因此當(dāng)占空比遠(yuǎn)離 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其中一只二極管耐壓非常高，然而 LLC 諧振變換器整流二極管電壓應(yīng)力為輸出電壓的 2 倍，不受輸入電壓變化影響。 （ 4）從輸出整流二極管反向恢復(fù)情況看，不對(duì)稱半橋變換器輸出 整流二極管是硬關(guān)斷，反向恢復(fù)嚴(yán)重，損耗較大；而 LLC 諧振變換器輸出整流二極管 ZCS軟關(guān)斷，損耗較小，提高變換器效率。但由于它在傳統(tǒng)串聯(lián)諧振 變換器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)諧振元件，電路特性變得更為復(fù)雜。 主電路 LLC 串聯(lián)諧振變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖 21所示。Q2，采用占空比（ 高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率 ） 近似 50%，固定死區(qū)時(shí)間的調(diào)頻控制方式進(jìn)行控制。D2和 C1amp。D4 為輸出整流二極管；輸出電容C0和負(fù)載 R0。開關(guān)頻率大于 LsCs的串聯(lián)諧振頻率，原邊開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的 ZVS(O 電壓開關(guān)）。在 LLC 串聯(lián)諧振變換器中勵(lì)磁電感 Lm的作用將在下面詳細(xì)介紹。 sss CLf ?2 1? smsm CLLf )(21?? ?