LLC变换器软开关特性及谐振参数优化研究

硕士学位论文LLC变换器软开关特性及谐振参数优化研究RESEARCHONSOFTSWITCHMECHANISMANDOPTIMIZATIONDESIGNOFLLCRESONANTCONVERTER戴幸涛哈尔滨工业大学2012年6月国内图书分类号：TM46学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文LLC变换器软开关特性及谐振参数优化研究硕士研究生：戴幸涛导师：徐殿国教授申请学位：工程硕士学科：电气工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM46U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONSOFTSWITCHMECHANISMANDOPTIMIZATIONDESIGNOFLLCRESONANTCONVERTERCandidate：DaiXingtaoSupervisor：Prof.XuDianguoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要高效率高功率密度是DC-DC变换器的重要指标。提高开关频率可以有效减小磁性元件的体积，但会带来开关损耗的增大。软开关技术可以在高频下降低开关损耗，从而提高变换器效率。谐振变换器由于可以实现软开关，得到了广泛关注，尤其是LLC谐振变换器，以其结构简单、具有零电压开通特性、易于磁集成、输出功率大等优点，成为研究的热点。本文对LLC变换器不同谐振工作区域的特点进行了分析，对其零电压开通过程进行了详细的研究，从谐振电流为开关管结电容放电的角度，提出了开关管要实现零电压开通所必需的两个条件，并在此基础上对开关管零电压开通和死区时间、负载的关系进行了分析。LLC的谐振参数设计是LLC变换器设计的重点与难点，本文对LLC参数设计方法进行了改进，采用解析+做图+仿真三步法对LLC谐振参数进行优化设计。首先通过构建解析函数，初步求出电感系数K值和品质因数Q值最优值；然后利用MATLAB软件做出直流电压归一化增益曲线，采用图解法对解析结果进行直观的验证，明确了物理意义；最后利用Saber仿真软件对谐振参数进行进一步仿真优化，修正了基波分析方法在参数设计中的误差。之后针对宽电压输入，开环定频运行两种不同的应用条件对LLC参数设计方法进行了拓展。本文对LLC变换器的磁性元件设计进行了探讨，对比了分立磁性元件设计和磁集成结构的优缺点。本文研究了LLC变换器的三种过载保护方法：提高开关频率、PWM控制和变频控制相结合、采用分离电容式拓扑。着重分析了三种方法对谐振电流的控制作用，总结了其工作特点。最后，结合仿真与实验对本文的理论进行了验证。关键词：LLC变换器；零电压开通；谐振参数优化设计；磁集成；过载保护ABSTRACT-II-ABSTRACTHighefficiencyandhighpowerdensityarethekeypointsintheDC-DCconverterdesign.Increasingtheswitchfrequencycaneffectivelyreducethevolumeofmagneticcomponents,butwillincreasetheswitchloss.Softswitchtechnologycanreduceswitchinglossinthehighfrequencyandimprovetheefficiencyoftheconverter.Resonantconverterwhichcanrealizesoftswitchrecentlyobtainedalotofconcern.EspeciallyLLCresonantconverter,withitssimplestructure,zerovoltageswitch,easytomagneticintegration,andhighefficiencyhighpowerdensity,becomesthefocusofresearch.Inthispaper,theworkingprocessoftheconverterLLCresonanceisanalysedindetail,accordingtotherelationshipofswitchfrequencyandtheresonantfrequency,LLCconverterwillbedividedintothreedifferentworkarea.Thethezerovoltageswitch(ZVS)mechanismisanalysed，twonecessaryconditionsfortheswitchtubetorealizeZVSareputforward,andonthisbasistherelationshipbetweenZVSanddead–timeisanalysed.LLCresonantparametersoptimizationdesignisthedesignemphasisofLLCconverter,thispaperputsforwardtheimprovedtheLLCparameterdesignmethod:theanalytical+figure+simulationthree-stagemethodforaccurateparametersoptimizationdesign.InthiswayovercomingtheerrorofFHAmethodinparameterdesign.AndexpandedLLCparameterdesignmethodisgiveninconditionwithwiderangeinput,theopenloopfixedfrequencyoperation.Inthispaper,magneticdesignofLLCconverterareanalyzed.Afterword,threeover-currentprotectionmethodsareintroducedinthispaper:Improvingswitchfrequency,UsingcombinedPWMandfrequencycontrolandusingsplitcapacitortopology.Theadvantagesanddisadvantagesofthethreemethodsareanalyzed.Finally,simulationandexperimenttestswereperformedtoverifythediscussion.Keywords：LLCresonantconverter，ZVS，parametersoptimizationdesign，magneticdesign，overcurrentprotection哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-III-目录摘要..........................................................................................................................IABSTRACT...............................................................................................................II第1章绪论.............................................................................................................11.1课题背景及研究的目的和意义.................................................................11.2LLC变换器的国内外研究现状.................................................................21.2.1LLC变换器的国内外研究发展历程........................................................21.2.2LLC变换器的主要研究方向....................................................................51.3本文的主要研究内容................................................................................7第2章LLC变换器的谐振工作区域划分及特性分析...........................................82.1LLC谐振变换器拓扑介绍.........................................................................82.2LLC变换器的不同谐振区域的工作过程及特点.......................................92.2.1谐振工作点处工作特点..........................................................................102.2.2超谐振区域工作特点..............................................................................112.2.3次谐振区域工作特点..............................................................................122.3LLC不同工作区域的仿真及实验波形分析.............................................132.3.1谐振工作点处仿真波形分析..................................................................132.3.2超谐振区域仿真波形分析......................................................................132.3.3次谐振区域仿真波形分析......................................................................142.3.5谐振工作点处实验波形分析..................................................................152.4本章小结.................................................................................................16第3章LLC变换器软开关特性及实现条件研究.................................................173.1LLC的零电压开通过程分析..........................