【《基于半匝线圈的LLC谐振变换器的仿真研究》8200字（论文）】

PAGE基于半匝线圈的LLC谐振变换器的仿真研究目录TOC\o"1-3"\h\u20639第一章绪论 -2-262971.1研究背景 -2-138651.2研究目的与意义 -3-267701.3国内外文献综述 -4-116111.3.1LLC谐振变换器的发展历程 -4-205841.3.2LLC谐振变换器的分析方法研究 -5-170801.3.3LLC谐振变换器的应用研究 -5-26411.4研究主要内容 -5-13051.4.1研究思路 -5-226481.4.2主要研究内容 -7-10730第二章相关基础理论及变换器的工作原理 -8-201852.1谐振变换器的分类与优势对比 -8-246842.1.1串联谐振变换器 -8-15382.1.2并联谐振变换器 -8-133122.1.3串并联谐振变换器 -9-12042.2LLC谐振变换器的工作原理 -9-76182.2.1电路拓扑结构 -9-80772.2.2工作原理及模态分析 -10-10235第三章基于半匝线圈的LLC谐振变换器的仿真分析 -15-182263.1LLC谐振变换器结构分析 -15-230973.1.1主要结构 -15-165253.1.2工作过程分析 -16-69243.2参数设置 -16-245913.3仿真结果与分析 -17-237323.4本章小结 -21-26665第四章基于半匝线圈的LLC谐振变换器的实验研究 -22-215804.1变换器参数介绍 -22-277284.2实验结果与分析 -22-141274.3本章小结 -24-25921第五章总结与展望 -24-63175.1全文总结 -24-185425.2不足与展望 -25-第一章绪论1.1研究背景功率转换器就是对功率进行收集管理，将收集到的功率通过某种设备进行传递，传递过程中按照使用需求对功率进行转换的一种机器。如图1.1所示，功率转换器在大多数家庭用电设备中都能发挥作用。通过功率转换器可以根据使用需求实现不同功率之间的相互转换，电动机可以通过转换器实现利用比较小的功率来提供较大的转距；在照明装置中可以实现利用小的三极管推动大功率三极管，使其能有更大输出功率；可以实现利用小的中间继电器推动大的接触器，使得继电器可以承载更大的负荷等。由于功率转换器无论在工业生产制造、人类日常活动中，还是在科学研究领域，都具有一定的研究和应用价值，国内外诸多工程师和科研工作者都对功率转换器及其内部元件进行了研究，对功率转化器的性能实现优化升级，以保持功率转换器能够适应物联网时代，并推动物联网技术更进一步。（a）继电器（b）电动机图1.1功率变换器的应用设备功率转换器由诸多电子元件组成，其中线圈是功率变换器的核心。当前大多功率变换器中采用的都是传统连续式线圈，采用这种线圈设计和绕制方法不仅增大了材料的使用量，而且使用效率也比较低。随意本文研究了一种半匝线圈在LLC谐振功率变换器中的设计方法，在不影响原有功率变换器的整体要素排列与功能属性的基础上，提高LLC谐振功率变换器的稳定性与功率转换效率。1.2研究目的与意义图1.2为LLC谐振功率变换器的学科分布情况，由此可见LLC谐振功率变换器的学科分布于电力行业、汽车工业、电信技术等诸多学术领域，由此可见，对LLC谐振功率变换器进行研究具有一定的理论价值。图1.2LLC谐振功率变换器的学科分布情况随着电力电子技术日新月异的发展以及第四次工业革命的进一步深入，庞大的电力系统每天需要消耗大量的能量与功率，如果可以按照使用需求对能量和功率进行有效地转换，这样物尽其用便可以极大的提高效率，从而减少能量消耗。功率变换技术在工业生产和人类生活等诸多领域起到极为重要的作为，所以可以拉动基于功率转换器技术市场的需求增长。在新一轮工业革命的影响下，我国的制造业也迎来了新局面，从事工业生产经营活动的企业希望通过功率变换技术对企业的生产链和自动化流水线进行改弦更张，从事信息技术服务的企业也希望借助功率变换技术进军制造业市场。随着工业制造4.0概念的提出，功率变换技术与工业制造两个领域珠联璧合，在未来的技术市场中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景，符合“集成化、轻量化和高效化”的发展主题的功率变换器作为电力电子领域中较为重要的一个模块，在工业生产制造和自动化控制体系中也将起着不可或缺的作用。基于以上研究背景与研究意义，对LLC谐振功率变换器中半匝线圈的设计问题进行研究，具有一定的理论意义与实际意义。1.3国内外文献综述1.3.1LLC谐振变换器的发展历程近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，对于电力电子装置及其元器件的需求趋于小型化、轻量化，目前主要是通过提高电路的频率得以实现[1]。然而，传统的硬开关变换器随着电路频率的提高，开关损耗提高、器件性能降低等问题随之而来，软开关技术应运而生[2]。软开关技术就是通过在电路中增加谐振电感Lr和谐振电容Cr构成谐振电路，使电路通路前电压降到零，电路关闭前电流降为零，从而实现降低开关损耗、增强电路功率的效果[3-4]。文献[5]认为按照变换器中谐振槽路的不同组合方式，可以将谐振变换器分为串联谐振变换器、并联谐振变换器和串并联谐振变换器等，而LLC谐振变换器属于串并联谐振变换器。早在二十世纪八十年代，LLC谐振变换器就被学者提出并得到广泛关注，虽然其具有体积小、功耗低、效率高等优点，但由于当时相关技术有限，LLC谐振变换器并没有得到广泛研究与应用[6-7]。二十一世纪之后，电子元器件行业在种类、容量及性能上都得到了进一步完善，国内外对于LLC谐振变换器的研究热情空前高涨[8]，主要研究议题包括：1）LLC谐振变换器与其他变换器的优劣对比；2）LLC谐振变换器的器件参数选型；3）LL谐振电路控制策略与研究方法等。1.3.2LLC谐振变换器的分析方法研究韦玉麒（2019）在研究磁控制技术在LLC谐振变换器中的应用时，总结归纳了现有的四种分析方式——基波分析法、部分因数修正分析法、完整因素修正分析法和时域分析法[9]。基波分析法认为在变换器电路中只有谐振槽路中的电压和电流能够凭借“基波”传输能量[10-11]。为了提高研究LLC谐振变换器过程中的分析精度，IvenskyG等（2011）修正了副边电路在断续区间的的负载，这种分析方式就是部分因数修正分析法[12]。与之相对应的完整因素修正分析法，不仅对副边电路进行修正，而且将谐振槽路等均进行适当修正[13]，同时结合时域分析法。2019年，王菲菲等学者为提高CLLC双向谐振变换器的转换效率，利用时域分析法求解电路不同模态下的电压增益，并通过实验验证其可行性[14]。1.3.3LLC谐振变换器的应用研究LLC谐振变换器虽然兼有串联LC和并联LC的优势，但在电压调节范围上仍有所局限，为解决这一问题，国外学者提出了一种双向CLLC谐振变换器，得到广泛关注[15-16]。为了满足新能源汽车充电机的需求，万玉超（2015）基于TMS320F2808芯片，对变换器的控制系统及其功能模块进行设计，设计开发了一种大功率全桥LLC谐振变换器[17]。2018年，陈嘉怡设计了一种新型SiC器件LLC谐振变换器，仿真结果验证还变换器提高了开关管的性能并降低了开关管的损耗，满足了在充电电源模块的应用[18]。针对海岛环境下特种电源转换的应用背景，赵振兴（2019）采用LLC简谐振动变换拓扑结构，提出了一种新型IPOS多级电源解决方案，为恶劣环境下大功率直接特种电源的研究与应用提供重要参考[19]。1.4研究主要内容1.4.1研究思路在进行本文的研究工作之前，首先需要了解LLC谐振功率变换器的基本知识、半匝技术的基本原理、LLC谐振功率变换器的模态分析过程以及相关研究工作目前的研究进展；其次需要熟悉Saber电路仿真软件的使用，对建立模型、参数设置和仿真过程熟稔于心；然后需要结合实验环境，通过Saber电路仿真软件对LLC谐振功率变换器的电路进行仿真，并对结果进行分析；最后设置实验方案，准备实验器材并搭建实验台，用实验数据来验证仿真结果，对模型的精度进行验证。基于上述研究思路，绘制本文的技术路线图，如图1.2所示。图1.2技术路线图1.4.2主要研究内容在电力电子技术如此发达的今天，电力系统是一个极为重要的领域，功率转换技术不管对于个人还是群体都在潜移默化地发挥着作用。因此，研究LLC谐振功率变换器的硬件结构、功率转换的方式与方法与其磁性元件的线圈技术对于LLC谐振功率变换器的发展和应用有着积极的促进作用。本文的主要研究内容如下：第一章主要陈述了研究LLC谐振功率变换器的背景、目的和意义，了解了LLC谐振功率变换器的应用情况，对比中外工程师和科研工作者们对于LLC谐振功率变换器研究进展，并简要介绍了本文的研究思路和主要研究内容；第二章介绍了LLC谐振功率变换器的基本理论和模态分析过程、半匝技术的基本理论和基本原理，并对电路仿真软件Saber进行了介绍，为下文仿真过程与实验过程提供了理论基础；第三章利用Saber电路仿真软件建立副边为半匝线圈的LLC谐振功率变换器的电路模型，设置频率、占空比、阻抗等关键参数，输出电压、效率、电压波纹等仿真结果，并对结果进行分析；第四章设计实验方案，准备实验器材并搭建实验台，用实验数据来验证仿真结果，对模型的精度进行验证；第五章对全文的研究工作进行了总结，分析研究工作中存在的问题和不足，并对这些尚存在的问题提出对未来工作的展望。

第二章相关基础理论及变换器的工作原理2.1谐振变换器的分类与优势对比谐振变换器又称为谐振转换器，其实质是在电路中实现电容与电感内电能总和的恒定，并互相转化或补偿，从而减小开关损耗。目前，谐振变换器主要包括以下三种：2.1.1串联谐振变换器图2.1串联谐振变换器如图2.1所示，串联谐振变换器中，谐振电容Cr与谐振电感Lr串联构成LC谐振槽路，并与负载串联构成一种串联电路。此时，谐振槽路的电压增益始终小于1，且可通过调节开关管的工作频率可调节谐振槽路的阻抗，当频率相等时阻抗最小，电压最大。2.1.2并联谐振变换器图2.2并联谐振变换器如图2.2所示，串联谐振变换器中，谐振电容Cr与谐振电感Lr并联构成LC谐振槽路，并与负载并联构成一种串联电路。此时，开关管的工作频率只要有较小的变动，即可实现对谐振槽路的较大调节。2.1.3串并联谐振变换器串并联谐振变换器可以理解为上述两种变换器的结合，也兼具两者的优点，能够灵活调节输出电压。目前，串并联谐振变换器主要有LCC谐振变换器和LLC谐振变换器两种，图2.3和2.4分别为两种变换器的电路图。图2.3LCC谐振变换器图2.4LLC谐振变换器2.2LLC谐振变换器的工作原理根据电路所配置可控开关数量的不同，LLC谐振变换器的拓扑结构主要全桥谐振变换器、对称半桥谐振变换器、非对称半桥谐振变换器三种。本节以全桥LLC谐振变换器、副边全波整流为例，阐述说明LLC谐振变换器的工作原理，对称与非对称半桥LLC谐振变换器同样适用。2.2.1电路拓扑结构如图2.5所示，传统的全桥LLC谐振变换器主要由全桥逆变单元、谐振槽路、整流电路等共同组成。其中，谐振槽路由三个谐振元器件组成——谐振电感Lr、谐振电容Cr和励磁电感Lm。图2.5全桥LLC谐振变换的拓扑结构由于输出电压Vo不一定能够箝拉变压器原边电压，使得Lm不一定发生谐振[20]，因此LLC谐振变换器工作过程中存在两种不同的频率——串联谐振频率fr和串并联谐振频率fm，且fr>fm，表示为： （2-1） （2-2）2.2.2工作原理及模态分析根据变换器工作频率fs与fr、fm之间的关系，可将LLC谐振变换器的工作模态分为以下三种：（1）当工作频率fs<fr时图2.6为该频率段变换器工作的主要信号波形，其中，iLr、iLm、i0分别为谐振电流、励磁电流、副边整流二极管边的电流，g1,4、g2,3是开关管的驱动信号。如图2.7所示，通过模拟分析LLC谐振变换器在各个时段的电路（红线表示电路流通），不难发现整流二极管副边D12的电流在t1时降为0，并持续到t5。根据上述分析可知，LLC谐振变换器在工作频率fs<fr时，可在断续区间实现零电流开关（ZCS）。图2.6当fs<fr时变换器的主要信号波形(a)t0-t1时段(b)t1-t2时段(c)t2-t3时段(d)t2-t3时段充放电完成(e)t3-t4时段(f)t4-t5时段(g)t5-t6时段(h)t5-t6时段充放电完成图2.7当fs<fr时各个时段的模拟电路（2）当工作频率fs=fr时该频率段变换器工作的主要信号波形如图2-10所示，与工作频率fs>fr时，输出电压V始终箝拉变压器原边电压，但整流二极管副边的电流在t2和t5时刻自然续流到0。也可以理解为，恰逢LLC谐振变换器开关管断开时刻，iLr=iLm，整流二极管副边的电流处于连续区间与断续区间的临界状态。根据上述分析可知，LLC谐振变换器在工作频率fs=fr时，可在临界通导区间实现ZCS[21]。图2.8当fs=fr时变换器的主要信号波形（3）当工作频率fs>fr时该工作频率下，LLC谐频变换器工作的主要信号波形如图2.8所示，各个时段的模拟电路如图2.9所示，输出电压V始终箝拉变压器原边电压，谐振电路仅由Lr、Cr组成，LLC谐振变换器等同于串联谐谐振变换器变换器。同时，在连续区间哪，开关管实现零电压开关（ZVS）；在死区时间（如t2-t3时段）内，整流二极管副边D12的电流没有被截断，没有实现ZCS，即为硬开关。图2.9当fs>fr时变换器的主要信号波形(a)t0-t1时段(b)t1-t2时段(c)t2时刻(d)t2-t3时段(e)t3-t4时段(f)t4-t5时段(g)t5时刻(h)t5-t6时段图2.10当fs>fr时各个时段的模拟电路

第三章基于半匝线圈的LLC谐振变换器的仿真分析3.1LLC谐振变换器结构分析3.1.1主要结构LLC谐振功率变换器的整体电路结构如图3.1所示。主要结构包括S1和S2两个开关三极管组成的开关网络，脉冲变压器的初级电感Lm、原边漏感Lr和谐振电容Cr组成的谐振网络。副边结构为Do1、Do2、Do3、Do4组成的整流网络，其中Ds1和Ds2为金属-氧化物半导体场效应晶体管S1和S2的内部寄生二极管，C0为输出电容。图3.1LLC谐振功率变换器的电路结构模型本文中的LLC谐振功率变换器的整体电路包括fs和fr两个谐振频率。fs谐振频率是当原边漏感和谐振电容出现简谐振动时，脉冲变压器的初级电感电压受到限制，脉冲变压器的初级电感便不参与简谐振动时的频率；fr谐振频率是当原边漏感、谐振电容和脉冲变压器的初级电感三者同时发生简谐振动时间的频率。fs和fr两个谐振频率的表达式如下： （3-1） （3-2）本章中LLC谐振功率变换器的电路主要由PFM控制芯片、隔离芯片、功率开关管等元器件组成，图3.1为LLC谐振功率变换器中各个元件的模型型号介绍。表3.1主要仿真模型模型名称模型型号PFM控制芯片隔离芯片功率开关管变压器整流二极管UC3863U4N35Ixfk44n50TransformerMue3060pt_sl3.1.2工作过程分析（1）LLC谐振功率变换器的开关频率小于fr时，实现原边功率开关三极管的零电压开通这一操作较为困难，对于电路以及开关三极管的影响较大；（2）LLC谐振功率变换器的开关频率在fs和fr之间时，可以实现原边功率开关三极管的零电压开通，对于电路以及开关三极管的影响和损耗较小。此时整流二极管处于断续工作状态，整流二极管在进行电路关断时电路中便不会有电流，对于电路和整流二极管的影响和损耗较小，LLC谐振功率变换器的工作效率较高；（3）LLC谐振功率变换器的开关频率大于fs时，整流二极管处于连续工作状态，整流二极管在进行电路关断时电路中仍有电流，对于电路和整流二极管的影响和损耗较大，LLC谐振功率变换器的工作效率较低。3.2参数设置本章对LLC谐振变换器电路进行仿真所使用的软件为Saber，其具有集成度高、仿真精度高、模块化和层次化等特点。在进行仿真之前，需要对仿真参数和电子元件的参数进行设置。在直流变换电路中，输出滤波电容会影响到电路达到稳态所需时长，所以在设置电容的初始值时需将其数值控制下稳态电压之下，本文的仿真时间设置为5ms；一般而言，仿真步长要小于开关周期，并且在数值上要小于开关周期的三百分之一，本文电路中的仿真步长设置为10ns；本文电路中的截断误差设置为0.00001。仿真时要对输入电压、原边漏感、谐振电容、励磁电感、占空比、品质因数开关频率和谐振频率等参数进行设置，输入的参数不同，会产生不同的仿真结果。图3.2为参数设置界面。图3.2参数设置界面3.3仿真结果与分析（1）Q为0.2，f为70kHz时表3.2Q为0.2，f为70kHz时的参数设置输入名称输入值输入电压原边漏感谐振电容励磁电感R48V18uF100nF60uH500当参数设置如表3.2所示时，输入电压为48V，原边漏感为18uF，谐振电容为100nF，励磁电感为60uH，R为500时，开关频率为70kHz，谐振频率为118kHz，品质因数为0.2。当品质因数比较小的时候，如果LLC谐振功率变换器的开关频率小于串联谐振频率，放大电路对输入信号的放大能力呈增长的趋势，功率开关三极管可以实现零电压开通，整流二极管在进行电路关断时电路中便不会有电流产生。此时，会出现如图3.3所示的仿真波形图。图3.3Q为0.2，f为70kHz时的仿真波形图（2）Q为2，f为70kHz时表3.3Q为2，f为70kHz时的参数设置输入名称输入值输入电压原边漏感谐振电容励磁电感R48V18uF100nF60uH50当参数设置如表3.3所示时，输入电压为48V，原边漏感为18uF，谐振电容为100nF，励磁电感为60uH，R为50时，开关频率为70kHz，谐振频率为118kHz，品质因数为2。当品质因数较大的时候，如果LLC谐振功率变换器的开关频率小于串联谐振频率，放大电路对输入信号的放大能力呈降低的趋势，功率开关三极管不可以实现零电压开通，整流二极管在进行电路关断时电路中便不会有电流产生。此时会出现如图3.4所示的仿真波形图。图3.4Q为2，f为70kHz时的仿真波形图（3）f为30kHz时表3.4f为30kHz时的参数设置输入名称输入值输入电压原边漏感谐振电容励磁电感R48V18uF100nF60uH300当参数设置如表3.4所示时，输入电压为48V，原边漏感为18uF，谐振电容为100nF，励磁电感为60uH，R为300时，开关频率为70kHz，谐振频率为118kHz。如果LLC谐振功率变换器的工作频率小于谐振频率，不管品质因数的数值等于多少，放大电路对输入信号的放大能力都呈降低的趋势，功率开关三极管不可以实现零电压开通，整流二极管在进行电路关断和开通时电路中都不会有电流产生。此时会出现如图3.5所示的仿真波形图。图3.5f为30kHz时的仿真波形图（4）f为125kHz时表3.5f为125kHz时的参数设置输入名称输入值输入电压原边漏感谐振电容励磁电感R48V18uF100nF60uH300当参数设置如表3.5所示时，输入电压为48V，原边漏感为18uF，谐振电容为100nF，励磁电感为60uH，R为300时，开关频率为125kHz，谐振频率为118kHz。如果LLC谐振功率变换器的工作频率大于谐振频率，不管品质因数的数值等于多少，频率越大，放大电路对输入信号的放大能力越小，功率开关三极管可以实现零电压开通，整流二极管在进行电路关断时电路中仍会有电流产生。此时会出现如图3.6所示的仿真波形图。图3.6f为125kHz时的仿真波形图3.4本章小结本章基于Saber电路仿真软件，对不同工作条件下的LLC谐振功率变换器进行了仿真分析。对仿真结果进行分析可以得知，当开关频率大于简谐振动频率时，随着开关频率增大，电压增益在任何工作条件下均呈降低趋势；当开关频率小于简谐振动频率并且品质因数较小时，随着开关频率减小，电压增益呈增长趋势；当开关频率小于简谐振动频率并且品质因数较大时，随着开关频率减小，电压增益呈降低趋势。

第四章基于半匝线圈的LLC谐振变换器的实验研究4.1变换器参数介绍图4.1为功率变换器的实物图，其设计指标和元件参数如下。输入电压范围30到40V，额定输入电压为35V，稳定输出电压为10V，最大输出功率为20W，谐振频率为20kHz，最大工作频率为30kHz。整流二极管的型号为FR307快恢复二极管，FR307可以承受1000V的耐压实验，工作电流为3A，快恢复时间为500ns；输出滤波电容的参数为1nF/50V；谐振电容的型号为CBB22，参数为1nF/400V；功率开关管的型号为CREE生产的CMF10120D。图4.1功率变换器实物图以防系统在启动的时候出现电流过大而损坏电路的现象，同时以免出现进入闭环导致冲击的现象，在开机的时候先将开关频率设置为30kHz，启动占空比设置为0.1，并且在占空比增加至0.5时便停止增加。4.2实验结果与分析图4.2（a）为开关频率为20kHz时的谐振波形图，图4.2（b）为开关频率为30kHz时的谐振波形图。由图中明显可以看出，开关频率为30kHz时，启动电流较小。（a）开关频率为20kHz（b）开关频率为30kHz图4.2启动波形图当LLC谐振功率变换器的频率不同时，实验结果均不同。当开关频率小