【《一种CLL谐振变换器设计》12000字（论文）】

7-STYLEREF"标题1"\n第一章STYLEREF"标题1"绪论6-一种CLL谐振变换器设计摘要随着航空工业发展对直流供电系统提出更高的要求，LLC谐振变换器凭借其宽范围全服在范围内的ZVS与ZCS广受关注，但是配置在原边的谐振电感由于励磁电流的流过引起了额外的损耗，影响了谐振变换器的效率，同时在低压大电流场合下，单相的谐振变换器存在诸多限制。本文研究了一种CLL谐振变换器，将谐振电感配置在副边，避免了这种额外损耗，同时在此基础上还研究了原边串联副边并联的三相CLL谐振变换器结构。文中详细分析了他们的工作原理以及工作特性，研究结果表明：1）所研究的CLL谐振变换器与LLC谐振变换器的工作原理十分相似，可以利用二段口网络相互转化。2）在理论分析的基础上，设计了一套三相CLL谐振变换器的电路参数，验证了其符合设计指标的要求，以及该拓扑适合工作在低压大电流的工作环境下。3）对三相CLL谐振变换器采取了180°相移的控制方式，并搭建了ansys仿真模型，验证了这种控制方式，在磁性能上的优势之处。关键词：CLL，LLC，三相CLL谐振变换器，磁集成。目录TOC\o"2-3"\h\z\t"标题1,1,目录索引标题,1,目录索引加宽标题,1"第一章绪论 )利用二端口等效公式，可以得到CLL谐振变换器对应的谐振元件参数如表3-3所示：表3-3谐振腔参数表三相变压器的集成与优化本节将对这种原边串联副边并联的三相CLL谐振变换器拓扑结构，采取180°相移的控制方式在磁性能上的优势之处。当变压器或者电感等存在多个磁柱时，通过合理布局磁柱的位置可以实现在磁盖中的磁通抵消，下面给出一个示例，如图3-5所示是将一个磁柱拆分为四个磁柱并进行磁通抵消布置的示例：图3-5磁通抵消结构示例这种做法的代价是增加了一部分的占地面积，将具有不同相位的磁柱，放置在合适的位置，使得相邻磁柱之间的磁通的流通方向相反，如图所示，这使得磁盖中磁密有了客观的下降，如此布置不仅降低了磁通损耗，而且由于磁密的下降，可以实现磁盖厚度的下调，设计综合性能优异的磁芯。那么关于本文所设计的原边串联副边并联的三相CLL谐振变换器，由于其相移180°的特殊控制，可以更好的实现磁通抵消结构，这是传统控制的三相结构所做不到的，由于三相结构仅移相120°相邻两相并不能很好的完成磁通相抵消的效果，如图所示是设计的磁芯结构中及其磁通流向图：3-6三相CLL谐振变换器的分立结构及其磁通流向图3-7三相CLL谐振变换器集成磁芯结构及其磁通流向图如图中所示，上下相邻两个磁柱构成一相，具体的磁芯设计方法，这里不做展开。图3-6与图3-7对比可以得到，可以看出这种结构降低了磁盖中的磁密，这将进一步导致的磁芯损耗的下降，是只有这种控制方式的三相拓扑，才可以实现的一种磁芯结构，是一种性能优异的磁芯结构。本章小结本章的主要工作是介绍了三相CLL谐振变换器工作原理以及工作特性，给出了具体的工作波形，随后给出了一种基于二端口等效的设计方法，并且利用这一等效条件，设计了符合设计指标要求的三相CLL谐振变换器的谐振腔参数，最后给出了一种磁通抵消的磁芯结构，介绍了本文所采取的控制方式，在磁性能上的优越性。实验结果与分析单相CLL谐振变换器Simulink软件是MATLAB软件中的一个可视化的仿真工具，通常应用在航空、工业、包括汽车等领域，进行大型建模以及信号处理等工作，为了验证前文中参数设计以及理论分析正确性，基于simulink软件搭建了单相CLL以及三相CLL谐振变换器的仿真模型，进行仿真验证，采用电压反馈的PI控制法进行闭环控制，具体的变换器指标为：表4-1半桥CLL谐振变换器的仿真参数在simulink中搭建的模型如下图4-1所示：图4-1单相CLL谐振变换器在simulink中的仿真电路关于工作在不同频率下的谐振电流以及驱动信号波形如图4-2所示，当工作在谐振频率点时,即fs=fr的时候：（a）驱动信号谐振电流以及励磁电流的波形（b）整流电流以及输出电压波形图4-2当fs=fr时的工作仿真波形当工作频率大于谐振频率时，即fs>fr时的工作波形如图4-3所示：（a）驱动信号谐振电流以及励磁电流的波形（b）整流电流以及输出电压波形图4-3当fs>fr时的工作仿真波形当工作频率小于谐振频率时，即fs<fr时的仿真波形如图4-4所示：（a）驱动信号谐振电流以及励磁电流的波形（b）整流电流以及输出电压波形图4-4当fs<fr时的工作仿真波形从上述的仿真波形中，可以看到，励磁电流不是一个三角波的形状，且单相CLL谐振变换器的工作波形均与理论分析时的波形保持一致，这证明了，前几个章节对CLL工作模态分析的正确性，也验证了对CLL谐振变换器参数设计的正确性。三相CLL谐振变换器三相CLL谐振变换器的仿真电路与单相CLL谐振变换器的仿真模型的搭建基本都保持一致，如图4-5所示，是在simulink中搭建的三相CLL谐振变换器的仿真电路模型。在相位的控制方面，一三两相采取相同的相位，而第二相与前后两相的相位差为180°，副边整流管相位差为90°。具体的仿真参数表如下表所示，控制也采取了与单相同样的PI控制，同时，输出端采取了三个滤波电容，这一定程度上降低了滤波电容的应力要求：表4-2三相CLL谐振变换器的仿真参数：图4-5三相CLL谐振变换器的仿真模型具体的仿真波形如下图所示，由设计指标来看，当输入电压为270v时，此时设计为谐振频率点，fs=fr：此时的谐振电流波形如图4-6所示：（a）驱动信号与谐振电流（b）整流波形与输出电压图4-6fs=fr三相CLL谐振变换器仿真波形输入为最大输入电压270V+20％时，即输入为324V时，此时有最大的谐振频率fmax具体的仿真波形如图4-7所示：（a）驱动信号与谐振电流（b）整流波形与输出电压图4-7fs>fr三相CLL谐振变换器仿真波形当输入电压为270v-20％，即最小输入电压216v时，此时对应最小的工作频率fmin，其对应的仿真波形如图4-8所示：（a）驱动信号与谐振电流（b）整流波形与输出电压图4-8fs<fr三相CLL谐振变换器仿真波形仿真波形与理论分析基本保持一致，这验证了前文所进行的工作模态分析的正确性，也证明了参数设计方法以及所设计参数的正确性，所设计的参数是满足设计指标要求的，由图中可以对比看出，三相CLL谐振变换器对比起单相CLL谐振变换器，由于并联使用了更多的滤波电容，三相输出电压的输出纹波电压更小，这也体现了多模块电路拓扑的优势之处。本章小结本章在simulink软件中，针对前文所设计的参数，分别搭建了单相半桥CLL谐振变换器与三相CLL谐振变换器的仿真模型，仿真的数据验证了参数设计方法以及参数本身设计的正确性，以及最终的仿真结果是符合设计指标的，此外还额外在磁芯方面进行初步的仿真，在有限元仿真软件ansys中搭建了磁芯的模型，并进行了磁芯损耗的仿真，把磁芯损耗仿真与无磁芯损耗的仿真结构进行了对比分析，验证本文采用的180°相移的多模块串并联结构，其优势之处在于更好的实现了三相磁芯不同磁柱之间的磁通抵消。总结与展望本文的主要工作航空工业的发展对直流供电系统提出了越来越高的要求，LLC谐振变换器是目前被广泛关注的一种特性优异的谐振变换器，效率高，功率密度大等都是LLC的优势所在，但是LLC谐振变换器也存在一定的不足，配置在原边的谐振电感由于励磁电流的存在，引起了一定的损耗，影响了其工作效率，本文研究了LLC谐振变换器的衍生拓扑，CLL谐振变换器，同时针对低压大电流工作场合，研究了三相CLL谐振变换器，具体工作内容如下：介绍了CLL谐振变换器的电路拓扑，详细分析了其不同的工作模式以及在不同工作模式下具体的工作模态，通过基波分析法推导得到其增益表达式，作图分析了其增益特性以及软开关特性等工作特性。针对低压大电流场合应用多模块的串并联结构，研究了三相CLL谐振变换器，其结构为原边串联副边串联结构，提出了180°的移相控制方式，分析了三相的工作波形。给出了一种利用二端口等效方法得到的LLC谐振变换器与CLL谐振变换器具体的谐振器件参数之间的等效条件，由此利用LLC的参数设计方法可以实现对CLL谐振变换器参数的设计，并设计了一套符合设计要求的谐振腔参数。对所设计的CLL谐振变换器参数进行了仿真验证，证明了理论分析的正确性以及参数设计是符合设计指标的，同时还搭建了磁芯模型针对这种结构在磁方面的优势进行了初步的验证。5.2下一步要做的工作由于毕设时间有限以及本人的能力欠缺，对于原边串联副边并联的三相CLL谐振变换器的拓扑结构，研究的还不够深入与具体，可以深入研究的地方以及可以拓展研究的地方还很多。接下来针对下列几个方向继续展开工作：1）基波分析法在工作频率离谐振频率较远时，存在着较大的误差，接下来寻找更为准确的建模方式。2）所搭建的磁芯结构，在分析与仿真时存在一定的误差，初步总结原因是磁芯不同处的磁密不同，接下来计划引入修正系数进行计算仿真，并进行进一步的磁芯结构的寻优设计。2）目前的工作都只是理论分析，后续计划搭建实验样机，以及定制所设计的磁芯结构，进行实验验证。）参考文献[1]韩浩.多模块并联直流变换器的研究[D].南京航空航天大学,2019.[2]甘鸿坚,严仰光.飞机高压直流电源系统[C]//中国航空学会控制与应用第七届学术年会,中国系统仿真学会仿真器第四届学术年会.0.[3]杨刚.飞机270V高压直流供电系统应用分析[J].科技创新与应用,2020(36):142-144.[4]袁亦青,李硕.4kWDC270V/DC28V分布式电源研究与设计[J].火炮发射与控制学报,2017(1).[5]谢华林.LLC谐振变换器的研究[D].华南理工大学,2010.[6]ChakrabortyC,IshidaM.Performance,designandcontrolofaseries-parallel(CL2-type)resonantDC/DCconverter[J].IEEProceedings-ElectricPowerApplications,2002,149(5):360-368.[7]SevernsRP.Topologiesforthree-elementresonantconverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2002,7(1):89-98.[8]BatarsehI.Resonantconvertertopologieswiththreeandfourenergystorageelements[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2002,9(1):64-73.[9]SteigerwaldRL.Acomparisonofhalf-bridgeresonantconvertertopologies[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2002,3(2):174-182.[10]OrugantiR,YangJJ,LeeFC.[IEEE1987IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference-Blacksburg,VA,USA(1987.6.21-1987.6.26)]1987IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference-Implementationofoptimaltrajectorycontrolofseriesresonantconverter[J].1987:451-459.[11]Bhat,A.KS.Analysisanddesignofamodifiedseriesresonantconverter[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,1993,8(4):423-430.[12]VorperianV,CukS.AcompleteDCanalysisoftheseriesresonantconverter[C]//PowerElectronicsSpecialistsConference.IEEE,2015.[13]Tsai,Lee.AcompleteDCcharacterizationofaconstant-frequency,clamped-mode,series-resonantconverter[C]//IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference.IEEE,1988.[14]EmsermannM.Anapproximatesteadystateandsmallsignalanalysisoftheparallelresonantconverterrunningaboveresonance[C]//InternationalConferenceonPowerElectronics&Variable-speedDrives.IET,1990.[15]KangYG,UpadhyayAK,StephensDL.Analysisanddesignofahalf-bridgeparallelresonantconverteroperatingaboveresonance[J].IEEETransactionson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