（电力系统及其自动化专业论文）llc谐振开关变换器的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g i i ll ll ll li ii y 18 1 r e s e a r c ho nl l cr e s o n a n ts w i t c h i n g j o l0 n v e l t e r a 砀e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g l id a w e i a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f y a n gs h a n s h u i s u b m i a e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g f e b r u a r y , 2 0 1 0 一 ! ：j 一 5一 一 5一 3一 m i 广 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：冶伽 日期：纠年弓月 一 1 飞 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 l l c 谐振开关变换器能实现原边侧开关管零电压z v s 开通，副边侧整流管零电流z c s 关断 的软开关技术，开关管与整流管的电压应力低，开关损耗低，整流管没有反向恢复损耗，开关频 率可高频化，可输入电压范围宽，效率高，功率密度大，方便使用磁集成技术等优点，这些优点 使l l c 谐振开关变换器越来越受到人们的青睐。 然而l l c 谐振开关变换器存在着谐振元件参数设计过程复杂，公式繁琐，物理概念不强， 直观性差等缺点，同时采用常规变频p f m 控制策略的变换器空载时谐振槽路内电流大，损耗严 重、短路保护等特殊工作状态较难解决，控制电路成本高，动态响应缓慢等问题。故本文将结合 工程应用软件m a t h c a d 给出l l c 谐振开关变换器谐振元件参数的设计流程，使谐振参数的设 计更快速、直观、可视化、易于让人们理解和接受；在常规变频p f m 控制策略设计的基础上， 设计新型p f m & p w m 联合控制策略，即一台变换器中采用p f m 和p w m 两种控制模式，并实现 两者的“无缝切换”，在保持l l c 谐振开关变换器的诸多优良性能的同时，方便解决变换器的特 殊工作状态，降低控制电路成本。 本文设计完成了两台l l c 谐振开关变换器，一台为低压大电流输出的降压型l l c 谐振开关 变换器，采用的控制策略为常规的变频p f m 控制策略；另一台为高压输出的升压型l l c 谐振开 关变换器，采用的控制策略为新型p f m & p w m 联合控制策略。对两台l l c 谐振开关变换器主要 工作波形进行了详尽观测，并对实验数据进行了处理和分析，同时做了对比分析讨论，验证了 l l c 谐振变换器谐振参数的设计流程的准确性与实用性，突出了采用新型p f m & p w m 联合控制 策略的变换器的优点。 关键词：谐振开关变换器，谐振元件，参数设计，设计流程，新型控制策略 l l c 谐振开关变换器的研究 a b s t r a c t l l cr e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e r sc a nr e a l i z et h es o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g y ：p r i m a r ys i d es w i t c h c a nz e r o - v o l t a g e s w i t c h i n gz v so n ，s e c o n d a r yw i n d i n gs i d er e c t i f i e rc a nz e r oc u r r e n ts w i t c h i n gz c s o f f , t h ev o l t a g es t r e s so fs w i t c ha n dr e c t i f i e ra r el o w , s w i t c h i n gl o s si sl o w , w i t h o u tr e c t i f i e r r e v e r s e r e c o v e r yl o s s ，h i g ho p e r a t i o nf f e q u e n c y ，w i d er a n g eo fi n p u tv o l t a g e ，h i g he f f i c i e n c y , h i g h p o w e rd e n s i t y , i n t e g r a t e dm a g n e t i ct e c h n o l o g yc a ne a s i l yi n v o l v e d w i t ht h e s ea d v a n t a g e s ，t h el l c r e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e r sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r h o w e v e r ，t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e s ，t h ed e s i g np r o c e s so fr e s o n a n tc o m p o n e n t sp a r a m e t e ro f l l cr e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e r si sc o m p l e x ，v e r b o s et h ef o r m u l a s ，v a g u ep h y s i c a lc o n c e p t s ，p o o r i n t u i t i v e n e s se t c a tt h es a m et i m e ，t h ec u r r e n to fc o n v e r t e ri nr e s o n a n tt a n ki sl a r g eu n d e rc o n v e n t i o n a l c o n t r o ls t r a t e g yo fp f mw h e nw i t h o u tl o a d ，i tw i l lb r i n gt h ec o n v e r t e rs e r i o u sl o s s ，s p e c i a lw o r k i n g c o n d i t i o n ss u c ha ss h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o na r ed i f f i c u l tt os o l v e , t h ec o s to ft h ec o n t r o lc i r c u i ta r eh i g h , t h ed y n a m i cr e s p o n s ei ss l o we t e t h ed e s i g nf l o wo fr e s o n a n tc o m p o n e n t sp a r a m e t e ro fl l cr e s o n a n t s w i t c h i n gc o n v e r t e r sw i l lb eg i v e nw i t ht h eh e l po fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r em a t h c a di nt h e t h e s i s ，t h ed e s i g no ft h er e s o n a n tc o m p o n e n t sp a r a m e t e rw i l lb e c o m ef a s t e r , i n t u i t i v e ，v i s u a l ，i tw i l l e a s yt ou n d e r s t a n da n da c c e p tb yp e o p l e b a s e do nt h ed e s i g no fc o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yo fp f m ， an o v e lc o a l i t i o np f m & p w mc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d p f ma n dp w ma r ea d o p t e di no n e c o n v e r t e r ，a n dr e a l i z et w oc o n t r o lm o d e s “s e a m l e s ss w i t c h u n d e rt h i sn e ws t r a t e g y , t h ec o n v e r t e r sc a n n o to n l yk e e pm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sb u ta l s oc o p ew i t ht h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n se a s i l y , l o w e rt h ec o s to ft h ec o n t r o lc i r c u i t t w op r o t o t y p e so fl l cr e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e r sh a v eb e e nd e s i g n e d ，o n ei sl o w - v o l t a g e h i g hc u r r e n to u t p u tb u e k - l l cc o n v e r t e r ，i ta d o p tt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yo fp f m ；a n o t h e ro n e i sh i g h - v o l t a g eo u t p u tb o o s t - l l cc o n v e r t e r ，i ta d o p tt h en o v e lc o a l i t i o np f m & p w mc o n t r o ls t r a t e g y t h em a i nw o r k i n gw a v e f o r mo ft h et w ol l cr e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e r sh a v eb e e no b s e r v e di n d e t a i l ，t h ee x p e r i m e n td a t ah a v eb e e nh a n d l e da n da n a l y z e d ，t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sh a v eb e e nd o n e a l s o ，t h ep r e c i s e n e s sa n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo fr e s o n a n tc o m p o n e n t sp a r a m e t e rd e s i g nf l o wo fl l c r e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e r sa r ev e r i f i e d ，t h em e r i to ft h el l cr e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e ru n d e r c o n t r o lo f t h en o v e lc o a l i t i o np f m & p w ms t r a t e g yh a sb e e nh i g h l i g h t e d k e y w o r d ：r e s o n a n ts w i t c h i n gc o n v e r t e lr e s o n a n tc o m p o n e n t s ，p a r a m e t e rd e s i g n ，d e s i g nf l o w , n o v e lc o n t r o ls t r a t e g y i i 一 1 k 一 二 - 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 目前开关电源的研究趋势1 1 2l l c 谐振开关变换器的优缺点3 1 3l l c 谐振开关变换器的研究现状3 1 4 本文研究的意义及内容4 1 4 1 本文研究的意义4 1 4 2 本文研究的内容4 第二章l l c 谐振开关变换器的特点与原理分析6 2 1 弓i 言6 2 2l l c 谐振开关变换器的电路结构6 2 3l l c 谐振开关变换器的整流电路8 2 3 1 整流电路的特点8 2 3 2 常用的整流电路类型9 2 4 本文所采用的主电路拓扑结构l l 2 5l l c 谐振开关变换器的工作原理与模态分析一1 2 2 5 1 降压型变换器的工作原理与模态分析1 5 2 5 2 升压型变换器的工作原理与模态分析l8 2 6 仿真验证19 2 7 本章小结2 2 第三章l l c 谐振开关变换器主电路中谐振元件的设计一2 4 3 1 弓i 言2 4 3 2l l c 谐振变换器的特性分析2 4 3 2 1 频率特性2 4 3 2 2 空载特性2 6 3 2 3 短路特性2 7 3 3 谐振元件的设计流程一2 8 3 3 1 最大开关频率的确定2 9 3 3 2 变压器匝比的确定2 9 3 3 3 激磁电感与谐振电感比值的确定。2 9 i i i l l c 谐振开关变换器的研究 3 3 4 串联品质因数值的确定。3 l 3 3 5 确定谐振元件的参数3 2 3 4 变压器等效计算模型3 3 3 5 本章小结3 6 第四章l l c 谐振开关变换器控制策略及其设计3 7 4 1 引言3 7 4 2 常用的控制策略及设计。3 7 4 2 1 常用的控制策略及控制芯片3 7 4 2 1 常用的控制策略的设计3 8 4 3p f m & p w m 联合控制策略及设计4 l 4 3 1p f m & p w m 联合控制策略4 2 4 3 2p w m 输出电路转化为p f m 输出电路结构4 3 4 3 3p f m & p w m 联合控制策略的设计4 5 4 4 本章小结4 7 第五章实验结果及其讨论4 8 5 1 引言4 8 5 2 降压型l l c 谐振开关变换器的实验结果4 8 5 2 1 不同负载条件下的实验结果4 8 5 2 2 不同输入电压条件下的实验结果5 1 5 2 3 实验数据处理与结果分析5 5 5 3 升压型l l c 谐振开关变换器的实验结果。5 6 5 3 1 不同负载条件下的实验结果5 7 5 3 2 不同输入电压条件下的实验结果5 9 5 3 3 空载时的实验结果6 2 5 3 4 实验数据处理与结果分析6 5 5 4 本章小结6 7 第六章总结与展望。6 8 6 1 本文的主要工作6 8 6 2 下一步要做的工作6 9 参考文献7 0 致谢7 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 5 i v 厶 r 、 k h q 知 l 。 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 半桥式l l c 谐振电路6 图2 2 有钳位二极管的半桥式l l c 谐振电路6 图2 3 全桥l l c 谐振电路7 图2 4 双半桥式l l c 谐振电路7 图2 5 复合式全桥三电平l l c 谐振电路8 图2 6 倍流整流电路l 8 图2 7 倍流整流电路2 8 图2 8 半波整流电路。9 图2 9 全波整流电路。9 图2 1o 全桥整流电路9 图2 1 l 全桥整流衍生电路9 图2 1 2 桥式二倍压整流电路1 0 图2 1 3 梯形二倍压整流电路1 0 图2 1 4 梯形二倍压整流衍生电路1 0 图2 1 5 梯形多倍压整流电路1 1 图2 1 6 降压型l l c 谐振开关变换器主电路结构1 2 图2 17 升压型l l c 谐振开关变换器主电路结构12 图2 1 8l l c 谐振开关变换器增益曲线1 4 图2 1 9 降压型l l c 谐振开关变换器工作主要波形16 图2 2 0 不同开关模态的等效电路。1 7 图2 2 l 简化等效电路模型一17 图2 2 2 升压型l l c 谐振开关变换器工作的主要波形1 8 图2 2 3 不同开关模态的等效电路1 9 图2 2 4 输入电压为2 7 0 v d c 时电路的仿真波形一2 0 图2 2 5 输入电压为2 3 0 v d c 时电路的仿真波形2 1 图2 2 6 输入电压为3 0 0 v d c 时电路的仿真波形一2 2 图3 1 交流等效电路2 4 图3 2 空载特性曲线2 6 图3 3 短路特性曲线2 8 v l l c 谐振开关变换器的研究 图3 4 不同k 值时的直流增益曲线3 0 图3 5 不同q 值时的直流增益曲线3 2 图3 6 副边侧存在漏感的实际变压器模型3 3 图3 7 副边侧漏感折算到原边的等效变压器模型3 4 图3 8 副边短路时等效模型3 4 图4 1u c 3 8 6 3 芯片内部结构框图3 8 图4 2 单稳态定时发生器电路3 9 图4 3 芯片i r 2 1 1 0 典型工作连接图4 0 图4 4 采样反馈电路4 1 图4 5 两种输出模式转化电路的结构简图4 4 图4 6 两种输出模式转化电路的主要波形图4 5 图4 7p f m & p w m 控制策略的原理图4 6 图4 8p f m & p w m 控制策略的主要波形图4 7 图5 1 额定输入电压2 9 0 v 下不同负载时的主要波形5 l 图5 2 空载时不同输入电压下的主要工作波形5 2 图5 3 半载时不同输入电压下的主要工作波形5 3 图5 4 满载时不同输入电压下的主要工作波形5 4 图5 5 不同负载时开关频率与输入电压的关系5 5 图5 6 不同输入电压时开关频率与负载电流的关系5 5 图5 7 不同负载电流下输入电压与效率的关系5 6 图5 8 额定输入电压2 7 0 v 下不同负载时的主要波形5 9 图5 9 半载时不同输入电压下的主要工作波形6 0 图5 1 0 满载时不同输入电压下的主要工作波形一6 2 图5 1 1 输入电压2 3 0 v 空载对比图6 3 图5 1 2 输入电压2 7 0 v 空载对比图6 4 图5 1 3 输入电压3 0 0 v 空载对比图6 5 图5 1 4 不同负载时开关频率与输入电压的关系一6 5 图5 1 5 不同输入电压时开关频率与负载电流的关系。6 6 图5 1 6 不同负载条件下效率与输入电压的关系6 6 表4 1i r 2 11 0 推荐使用参数4 0 v i 符号 z v s z c s p f m p w m c o 厶 c r 丁 三。 r l d j v o y m 一g e 意义 零电压开关 零电流开关 脉频调制 脉宽调制 输出电容 谐振电感 谐振电容 变压器 变压器的激磁电感， 也称为励磁电感 负载 开关频率 输出电压值 输入电压范围 疗 q i o 5 意义 交流等效阻抗 交流基波电压增益 直流电压增益 空载直流增益 输出电流增益 激磁电感值与谐振电感值之比 厶和c ，谐振时的频率 厶、c r 和厶三者谐振时的频率 变换器的工作频率与谐振频率，；的比 值 变压器原副边匝比 串联谐振品质因数 输出电流 额定输入电压值 v i i 艏胍尬m讹后办x 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1目前开关电源的研究趋势 以开关方式工作的电力半导体器件【1 1 是现代电力电子技术的基础和核心，器件特性的每一步 新发展都带动变换电路技术的相应突破。电力电子器件的发展经历了几个发展阶段：从1 9 5 8 年 第一个晶闸管的问世带来电力电子学的革命，到可控关断电力电子器件的迅速发展，再到7 0 年 代中期，自身兼有开通和关断功能的全控器件( 可关断晶闸管g t o 、大功率晶体管g t r 、功率场 效应管p o w e rm o s f e t 、绝缘栅功率晶体管i g b t 、m o s 控制晶闸管m c t 等) 的出现，再到8 0 年代m o s 型绝缘栅双极性型晶体管i g b t 和功率场效应晶体管p o w e rm o s f e t 以及功率集成电 路p i c 和智能模块i p m 的相继出现，以及随后对功率管材料( 如碳化硅材料等) 的不断改进，电力 电子器件每上一个台阶都带动着电力电子技术上一个新的阶段，在电力电子技术中电力半导体器 件起着举足轻重的作用。 电力电子技术的研究内容包括器件、电路和应用三个方面，而电力电子变换电路包括整流一 交流，直流的变换、变频一交流交流的变换、逆变一直流交流的变换、斩波一直流直流的变换f 2 4 】 等。这种电子电路变换器常被人们称为电源，因采用的开关器件来对电源实现的控制，又被人们 常称为开关电源。 随着电力电子技术日新月异的发展，推动着开关电源不断向前发展，开关电源的研究方向【孓1 1 1 主要有以下几个趋势： 1 软开关技术【2 , 1 2 - 1 6 j 传统的开关电源中多数采用的是硬开关技术，开关管的应力较大，在开关频率较高时开关损 耗大，在此种情况下很难提高开关频率，导致变换器的体积和重量都较大，严重影响着功率密度 的提高。开关管工作在硬开关时会产生高的d i d t 和d u d t ，会产生过大的电磁干扰 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 。而采用软开关技术的变换器，因避开开关管的电压与电流 交叠，或者在电压电流较低点交接，会使开关损耗大为降低，这常被人们称作零电压z v s ( z e r o v o l t a g es w i t c h i n g ) 零电流z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 软开关技术。 软开关电源技术可以分为以下几类： ( 1 ) 全谐振型变换器，常被称作谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) ，该类变换器实际上是负载 谐振变换器，常被分为串联谐振变换器变换器( s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，s r c s ) 和并联谐振变 换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，p r c s ) 。该类变换器与负载关系密切，对负载类型及负载变化 敏感，常采用频率调节技术进行控制。 ( 2 ) 准谐振变换- 器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，q r c s ) 和多谐振变换器( m u l t i - r e s o n a n t l l c 谐振开关变换器的研究 c o n v e r t e r s ，m r c s ) 。这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换器的某一阶段，而不是全过程 参与。 ( 3 ) 零开关p w m 变换器( z e r os w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) ，该类变换器是在q r c s 变换器的 基础加一个辅助开关管来控制谐振元件的谐振过程，实现的是恒频控制，即实现的是p w m 控制， 与q r c s 不同的是谐振元件的谐振时间与开关周期相比较短。 ( 4 ) 零转换p w m 变换器。该类变换器是辅助谐振电路只在主开关管开关时工作一段时间， 实现开关管的软开关，其它时间不工作。 ( 5 ) 有源钳位软开关变换器，该类变换器主要是在开关管上并联一个钳位电路，抑制开关管 一 的电压应力，在开关管关断时吸收浪涌能量，在开关管开通时将吸收的能量回馈至电网，在正激 和反激开关电源常有应用。 - ( 6 ) 广义软开关交换器。它利用吸收网路，实现开关管的“软化”过程，降低开关管的d f l d t 和d u l d t ，使开关管的电流和电压交叠面积达到最小。 软开关技术的优良特性使得该技术应用越来越广泛，软开关技术也为开关电源的高频化提供 前提条件。 2 高频化技术 芯片集成技术的不断发展，要求电子设备内部的电压体积和重量越来越小，也要求电源的功 率密度越来越高，电源开关频率的高频化是减小体积和重量的重要措施，高频化的开关电源要求 电源内部的磁性元件变压器和电感及电容的体积重量都很小，这样才会使开关电源的功率密度的 提高成为可能。由于新型高频功率半导体如m o s f t 和i g b t 的发展，中小型开关电源的工作频 率可以达到1 m h z 的水平。 但随着开关频率的不断提高，也会给开关电源带来新的问题，如开关损耗的剧增，电路中寄 生参数在高频下引起的震荡，以及电磁干扰e m i 等问题。 提高变换器的开关频率要求发展新型的软开关拓扑电路，改善电源内部结构，提高制作工艺 j 水平，也要求发展高速功率电子器件，制作高频下低损耗的磁芯元件和高频低损电容，发展高导 热性材料等。 - 3 功率因数校正( 1 p f c ) 技术3 ，4 ，1 7 1 随着人们对减少电网的谐波污染要求的越来越高，开关电源中采用功率因数校正( p f c ) 技术 成为必须，“绿色电源”的研制也成为人们研究的热点。 功率因数校正技术主要集中在减小谐波电流对电网的污染和提高效率两个方面。目前p f c 技术主要分为有源p f c 技术和无源p f c 技术两大类，研究的重点在于改进控制方案，提高功率 因数以及优化设计输入滤波器，减小开关次谐波对输入功率因数的影响。 4 数字控制技术 随着数字技术的不断发展，数字芯片不断涌现，单片机、数字信号处理器d s p 以及可编程 2 南京航空航天大学硕士学位论文 逻辑门器件c p l d 等使得数字控制技术应用到开关电源中成为可能。在开关电源中采用数字控制 电路所需的信号小，传输速度高，效率高，控制方式灵活，这都使得开关电源的开发周期缩短， 升级换代成本低。这种数字控制技术适合中大型开关变换器中使用，小功率开关变换器中不经济。 5 低压大电流技术 微处理器的不断发展要求工作电压越来越低，工作电流越来越大，个人便携式电子产品的广 泛使用，都要求低压大电流的电源为其提供“动能”，发展低压大电流快速响应的开关电源已渐 渐成为人们研究的热点之一。 以上介绍的只是开关电源可能的研究趋势，但不单单局限于此，智能控制、模块技术、磁集 成技术等的研究都是开关电源研究中不可或缺的部分和可研究方向。 1 2 l l c 谐振开关变换器的优缺点 从上一节对开关电源的发展趋势的讨论中可以看出，软开关技术的优良特性使得人们对它越 来越青睐，谐振开关变换器能利用谐振元件谐振特性实现软开关，开关应力小并且具有开关工作 频率高、开关损耗小、效率高、功率密度大、e m i 干扰小等优点。 l l c 谐振开关变换器【1 8 4 8 1 具有谐振开关变换器的优点外，同时兼具空载工作能力和允许输 入电压范围宽而体现出普通串联谐振变换器和并联谐振变换器无法比拟的优势，得到了广泛的应 用。l l c 谐振变换器是在传统l c 二阶谐振变换器的基础上增加一个并联电感改进而来的，因此 在相对于普通串联、并联谐振变换器在特性上有明显的改善。它常采用变频p f m ( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 控制技术，能实现原边侧主开关管零电压z v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 开通、副边侧 整流管零电流z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 关断的软开关技术、开关管与整流管的电压应力低、 开关损耗低、整流管没有反向恢复损耗、开关频率可高频化、允许输入电压范围宽、效率高、功 率密度大、方便使用磁集成技术等优点，这也成为l l c 谐振开关变换器越来越受人们青睐的原 因，成为近些年来人们研究的一个热点。 尽管人们对l l c 谐振变换器研究的不断深入，但l l c 谐振开关变换器仍然存在着一些问题： 谐振槽路内谐振参数设计复杂、变压器漏感需妥善处理、常规变频p f m 控制的空载时谐振槽路 内电流大，损耗严重、短路保护等较难以解决、变换器动态响应缓慢和控制电路成本高等问题。 1 3l l c 谐振开关变换器的研究现状 早在上个世纪七八十年代就有学者提出l l c 谐振开关变换器的拓扑结构的雏形f 1 舳0 1 ，近些年 来，由于l l c i 皆振变换器软开关、高效率等诸多优点越来越受到人们的喜爱。 在2 0 0 1 年d e l t a 公司对该l l c 变换器申请了专利 4 0 , 5 8 】；2 0 0 3 年弗吉尼亚理工大学的杨波博士 在其博士论文及所发表的文献中【2 1 ，2 2 ，2 牝6 , 3 9 1 详细系统的阐述了半桥式l l c i 彗振变换器的设计、过 载保护等问题；国内浙江大学对于半桥式和全桥式l l c 和三电平l l c 谐振开关变换器的参数优化 3 l l c 谐振开关变换器的研究 设计等问题作了大量的工作 6 , 2 3 , 3 7 , 3 8 , 4 2 , 4 4 , 4 8 1 ；南京航空航天大学对桥式l l c i 彗振开关变换器的优 化和三电平l l c 谐振开关变换器的控制策略的设计以及磁集成技术的研究等方面做了很多工作 2 7 , 4 5 ；在三电平直流变换器及其软开关技术中阮新波教授通过研究指出，三电平l l c 谐振开 关变换器适合高电压、宽范围输入电压场合，具有非常广阔的应用前景。 另外，d e l t a 、a s t e c 、t y c o 、l i t e o n 等电源公司都在从事着l l c i 皆振变换器产品的研发工作， 已经有部分电源产品出厂。 l l c i 振开关变换器的主要研究内容包括：参数设计、软开关技术、降低空载损耗、过载保 护方法、短路保护方法、控制策略及其设计、磁集成、均压技术等方面。 1 4 本文研究的意义及内容 1 4 1 本文研究的意义 本文将针对课题及项目要求，对半桥式l l c i 皆振开关变换器展开研究，重点研究以下两个内 容：1 ) 半桥式l l c 谐振开关变换器的软开关技术，在变换器拓扑结构日渐成熟的情况下，对变 换器的优化已成为主旋律，本文将对l l c 谐振开关变换器的谐振参数进行系统化设计，快速设计 出谐振元件的参数，给出参数系统化设计流程，并对副边侧存在漏感的变压器进行适当处理，给 出处理后的变压器等效计算模型。2 ) 在常用的控制策略设计并完成的基础上，研究了新型控制 策略，使变换器在拥有常规控制策略的优点的同时，方便解决变换器的特殊工作状态如空载、短 路保护等。论文的研究成果不仅适合半桥式l l c 谐振开关变换器，对于一般l l c 谐振开关变换器 同样适用。本文对于快速系统化地设计l l c 谐振开关变换器的参数，变换器优化，改善l l c i 堂振 开关变换器的工作性能，解决l l c i 彗振开关变换器空载、短路保护等问题，都有着较强的理论和 实用参考价值。 1 4 2 本文研究的内容 本文受航天某所机载电源项目资助，本文的主要研究内容如下： 。 第一章为绪论，阐述了电力电子功率器件在电力电子技术发展中的重要地位，系统的介绍了 开关电源的研究趋势，并指出软开关技术成为开关电源的一个重要的研究方向；接着对采用软开 关技术的l l c 谐振开关变换器的优点进行分析，指出其成为近年来研究热点的原因，同时也指出 了该变换器的缺点。在分析l l c i 皆振开关变换器研究现状的基础上，针对l l c i 皆振变换器的缺点， 给出变换器的还需解决的问题和可研究的内容。从谐振参数系统化设计流程中快速直观地解决变 换器谐振参数设计问题，并实现变换器优化；从控制策略方面解决变换器性能改进问题，尤其是 变换器特殊工作状态如空载或短路保护等问题，同时降低控制电路成本，从而引出本文研究的重 要意义。 第二章首先对l l c i 皆振开关变换器常见的电路拓扑结构进行了阐述和分析，指出l l c 谐振变 4 南京航空航天大学硕士学位论文 换器副边侧整流电路的特点，列举可用于l l c 谐振开关变换器副边侧整流的整流电路结构，并将 应用场合做了详细的分析和说明：同时根据课题和项目的要求，选出了本文所采用的升压型和降 压型l l c i 皆振开关变换器主电路拓扑结构；对升压型和降压型l l c 谐振变换器的工作原理和模态 进行了详细论述，最后给出了仿真验证。 第三章为了对后面章节的讨论做深入理论铺垫，首先对l l c i 皆振开关变换器的特性一频率特 性、空载特性和短路特性进行了分析和讨论，指出空载、短路保护较难解决的原因，同时给出 l l c 谐振开关变换器的空载、短路保护常用的解决方法。针对l l c i 皆振开关变换器的谐振参数设 计过程复杂，公式繁琐，物理概念不强，直观性差等缺点，结合工程应用软件m a t h c a d 给出l l c 谐振开关变换器谐振元件参数的设计流程，使谐振元件参数的设计更快速，直观，可视化。同时， 对l l c i 旨振开关变换器的变压器等效模型进行讨论。 第四章对l l c 谐振开关变换器的控制策略做了深入的研究。首先，对常规变频p f m 控制策略 进行了阐述，并设计实现；同时在常规控制策略的基础上进行拓展，设计新型的控制策略，在同 一变换器中实现p f m 和p w m 两种控制模式，并且实现两种控制模式的“无缝切换”，使l l c i 皆振 开关变换器的工作性能得到改进，方便解决变换器的特殊工作状态，降低控制电路成本，同时对 该种新型p f m & p w m