（控制科學(xué)與工程專業(yè)論文）llc諧振全橋并聯(lián)均流開(kāi)關(guān)電源的研制.pdf

摘要 隨著軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和并聯(lián)均流技術(shù)的發(fā)展 高性能的大功率高頻開(kāi) 關(guān)電源的研究與開(kāi)發(fā)己成為電力電子領(lǐng)域的重要研究方向 針對(duì)大功 率電源在性能 重量 體積 效率和可靠性方面的要求 本文主要對(duì) 高效率的開(kāi)關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)和并聯(lián)均流控制技術(shù)進(jìn)行研究 并研制 出一種基于l l c 諧振的交流電力機(jī)車智能控制充電機(jī)系統(tǒng) 交流傳動(dòng)電力機(jī)車對(duì)其所用的大功率蓄電池充電機(jī)的工作效率 要求達(dá)到9 0 以上 這是采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源難以達(dá)到的 根 據(jù)這種開(kāi)關(guān)電源功率大 效率要求高的特點(diǎn) 充電機(jī)主電路采用了 l l c 諧振全橋電路的結(jié)構(gòu) 選取諧振元件參數(shù)是設(shè)計(jì)l l c 諧振全橋 電路的重點(diǎn)和難點(diǎn) 本文通過(guò)建立l l c 全橋諧振變換器的線性等效 模型 詳細(xì)分析了l l c 諧振全橋的頻率 短路和空載特性 提出一 套完整的l l c 諧振全橋電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法 本充電機(jī)最大輸出電流為1 5 0 a 為此設(shè)計(jì)采用了5 個(gè)3 0 a 電源 模塊并聯(lián)供電的模式 論文依據(jù)設(shè)計(jì)要求選取l l c 諧振全橋電路的 元件參數(shù) 利用s a b e r 仿真驗(yàn)證了參數(shù)的正確性 并完成了整個(gè)電 源模塊主電路其它器件的參數(shù)選擇 控制電路采用通用p w m 調(diào)制芯 片s g 2 5 2 5 實(shí)現(xiàn)p f m 調(diào)頻控制 實(shí)現(xiàn)了電源模塊的高頻z v s 零電 壓開(kāi)關(guān) 軟開(kāi)關(guān) 有效地提高了電源模塊的轉(zhuǎn)換效率 減小了單模塊 的體積 通過(guò)對(duì)幾種常用的負(fù)載均流方法進(jìn)行研究和電路分析 根據(jù)主從 均流控制的特點(diǎn) 采用c a n 總線實(shí)現(xiàn)主從均流法 數(shù)字均流的采用 提高了系統(tǒng)的抗干擾能力 設(shè)計(jì)了監(jiān)控模塊對(duì)各電源模塊和整體輸出 進(jìn)行監(jiān)控 通過(guò)c a n 總線接口和人機(jī)接口的設(shè)計(jì) 提高了電源系統(tǒng) 的智能化和可操作性 實(shí)現(xiàn)了多個(gè)電源模塊并聯(lián)供電的模式 最后給出了電源模塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和電源系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的測(cè)量數(shù) 據(jù) 實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性和設(shè)計(jì)方法的合理性 關(guān)鍵詞開(kāi)關(guān)電源 l l c 諧振全橋變換器 s a b e r 仿真 并聯(lián)均流 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t s w i t c h i n ga n dc u r r e n ts h a r i n g l a r g e c a p a c i t ya n dh i g h f r e q u e n c yp o w e rs u p p l i e sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n t r e s e a r c hf i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fl a r g e c a p a c i t yp o w e rs u p p l yo np e r f o r m a n c e w e i g h t s i z e e f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t y t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nm a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fh i g h e f f i c i e n c ya n dt h ec o n t r o lo fp a r a l l e l i n gc u r r e n ts h a r i n g t h e nd e v e l o p sa n e l e c t r i cl o c o m o t i v ei n t e l l i g e n tc h a r g e rs y s t e m t h el a r g ec a p a c i t yb a t t e r yc h a r g e r u s e db ya cd r i v i n ge l e c t r i c l o c o m o t i v e i sr e q u i r e dh i g h e f f i c i e n c yw i t hm o r et h a n9 0p e r c e n t s i ti s i m p o s s i b l et os a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n tb yu s i n gh a r d s w i t c h i n gt e c h n i q u e a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i co fl a r g ec a p a c i t ya n dh i g h e f f i c i e n c y an o v e l f u l l b r i d g en a m e dl l c r e s o n a n tc o n v e r t e ri sa d o p t e dt od e s i g nt h i sp o w e r s u p p l y t h ef o c u sa n dd i f f i c u l t i e so fu s i n gt h i sc o n v e r t e ra r et h es e l e c t i o n o ft h ep a r a m e t e r so fr e s o n a n tc o m p o n e n t s t h r o u g hd e t a i l e da n a l y s i so n p r o p e r t i e so ff r e q u e n c y s h o r t c i r c u i ta n dn o l o a d am e t h o d o nd e s i g n i n g t h ep a r a m e t e r so fl l cf u l lb r i d g er e s o n a n tc o n v e r t e rb a s e do na n e q u i v a l e n tl i n e a rm o d e l i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h i sc h a r g e rw i t h5p o w e rm o d u l e sp a r a l l e l e dt o g e t h e r c a no u t p u t 15 0a m p e r ec u r r e n t e a c hw i t h3 0a m p e r ec u r r e n t f i r s t l y b a s e do n d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ec o m p o n e n t sp a r a m e t e r sa r es e l e c t e da n dt h e c o r r e c t n e s so ft h e s e p a r a m e t e r s i sc h e c k e db ys i m u l a t i o nu s i n ga s o f t w a r en a m e ds a b e r t h e nt h ed e s i g no fo t h e rp a r a m e t e r si nt h em a i n c i r c u i to ft h ee n t i r ep o w e rm o d u l ei sa c h i e v e d b e s i d e s ac o m m o np w m c o n t r o li cn a m e ds g 2 5 2 5i su s e da st h ec o n t r o lc e n t e rt or e a l i z ep f m c o n t r 0 1 b yw o r k i n go nz v s z e r o v o l t a g es w i t c h s o f t s w i t c h i n ga n d h i g h f r e q u e n c ys t a t e t h ea i mo fh i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n ds m a l l e r s i z eo ft h ep o w e rm o d u l eh a sb e e na c h i e v e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a lc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d sa n dp a r a l l e l c i r c u i t m a s t e r s l a v ec u r r e n ts h a r i n gm e t h o di su s e db a s e do nc a n b u s w h i c hi m p r o v e st h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e m t h e na m o n i t o r i n gm o d u l ei sd e s i g n e dt om o n i t o rt h ep o w e rm o d u l e sa n dt h e o v e r a l l o u t p u t t h ed e s i g n o fc a nb u si n t e r f a c ea n dm a n m a c h i n e i n t e r f a c em a k e st h e p o w e rs y s t e m m o r e i n t e l l i g e n t a n d p r a c t i c a l a c c o r d i n g l y i ti s s u c c e e dt op a r a l l e l a l lt h ep o w e rm o d u l e s t o g e t h e r f i n a l l y e x p e r i m e n t r e s u l t so ft h ep o w e rm o d u l e sa n dt h ep a r a l l e l o p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e ma r ep r o v i d e d w h i c hp r o v e t h ec o r r e c t n e s s o ft h et h e o r ya n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nm e t h o d s k e yw o r d ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l y l l cr e s o n a n tf u l l b r i d g e c o n v e r t e r s a b e rs i m u l a t i o n p a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n g 原創(chuàng)性聲明 本人聲明 所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果 盡我所知 除了論文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不 包含為獲得中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料 與我 共同工作的同志對(duì)本研究所作的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明 作者簽名 盔 查 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國(guó)家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文 允許學(xué)位論文被查閱和借閱 學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容 可以采用復(fù)印 縮印或其它手段保存學(xué)位論文 同時(shí)授權(quán)中國(guó)科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到 中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù) 作者簽名 建岔導(dǎo)師簽名榭日期 堡墟年蜘么皇 碩士學(xué)位論文第一章緒論 第一章緒論弟一早珀可匕 隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展 高頻開(kāi)關(guān)電源因其具有體積小 重量輕 頻 率高和輸出紋波小等特點(diǎn) 正迅速代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī) 通信 工業(yè)加工 鐵路和航空航天等領(lǐng)域 近年來(lái) 電力電子作為節(jié)能化 自動(dòng)化 智 能化 機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化 硬件結(jié)構(gòu)模塊化 產(chǎn)品性能 綠色化的方向發(fā)展 1 1 隨著我國(guó)鐵路交通的發(fā)展 對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的要求越來(lái)越高 目前我國(guó)電力機(jī)車 普遍采用相控式1 1 0 v 晶閘管直流穩(wěn)壓電源 主變壓器輔助繞組3 9 6 v 引出單相 電源 經(jīng)控制電源變壓器降為2 2 0 v 再用晶閘管單相半控橋式整流電路整流 最后經(jīng)過(guò)平波電抗器和蓄電池濾波 它與機(jī)車蓄電池并聯(lián)運(yùn)行 為機(jī)車控制電路 和照明電路提供11 0 v 的穩(wěn)定電壓 用大功率高頻開(kāi)關(guān)電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控電源 已成為一種發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái) 大功率高頻開(kāi)關(guān)電源逐漸代替了相控電源 且研 究比較深入 隨著交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)己開(kāi)始進(jìn)入交流傳動(dòng)電力機(jī)車的時(shí) 代 而交流傳動(dòng)電力機(jī)車對(duì)其所用的大功率蓄電池充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率要求達(dá)到 9 0 以上 這是采用相控電源和采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源都難以達(dá)到的 根據(jù) 這種開(kāi)關(guān)電源功率大 效率高的特點(diǎn) 本文在研究高頻軟開(kāi)關(guān)電源模塊的基礎(chǔ)上 對(duì)高頻軟開(kāi)關(guān)電源模塊的并聯(lián)均流技術(shù)進(jìn)行研究 構(gòu)建具備冗余功能的蓄電池充 電機(jī) 其功率密度 體積重量和穩(wěn)定性都具有較大的提高 1 1 研究背景 控制用直流電源系統(tǒng)是電力機(jī)車中不可缺少的重要設(shè)備 正常情況下 電力 機(jī)車從電網(wǎng)取電時(shí) 直流電源系統(tǒng)中的充電機(jī)給機(jī)車上的輔助回路供電 如控制 照明 保護(hù)裝置的運(yùn)行等 并且給蓄電池充電 蓄電池能在受電弓未得電或者充 電機(jī)故障時(shí) 為機(jī)車上的輔助回路的運(yùn)行供電 因此作為直流電源系統(tǒng)重要設(shè)備 之一的充電機(jī)的可靠性與自動(dòng)化程度直接影響電力機(jī)車系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量 進(jìn)而影 響到整個(gè)電力機(jī)車的運(yùn)行安全與效率 本研究來(lái)源于項(xiàng)目一 d j 4 交流傳動(dòng)電力機(jī) 車充電機(jī)系統(tǒng)的研制 目前我國(guó)直流傳動(dòng)電力機(jī)車上用的充電機(jī)系統(tǒng)大都采用相控式1 1 0 v 晶閘管 直流穩(wěn)壓電源 傳統(tǒng)的相控整流電源 具有體積大 重量大 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢 諧波污染嚴(yán)重等缺點(diǎn) 高頻開(kāi)關(guān)電源由于具有更高的效率 更小的體積和重量以 及更快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 正在逐步取代傳統(tǒng)的相控整流電源 有少量的電力機(jī)車 采用了開(kāi)關(guān)電源技術(shù) 主電路中的開(kāi)關(guān)管選用i g b t 或者i p m 變換器采用半橋 或者全橋硬開(kāi)關(guān)技術(shù) 2 3 受i g b t 和i p m 元件研制水平的限制 該類開(kāi)關(guān)管工 碩 學(xué)位論文第一章緒論 作頻率較低 一般在2 0 k h z 左右 高頻變壓器的利用率不夠高 不能大幅度的 減小電源的體積 又由于采用的是硬開(kāi)關(guān)技術(shù) 在開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn) 生大量的開(kāi)關(guān)損耗 當(dāng)變換功率較大時(shí) 需要設(shè)計(jì)較大的散熱器和大功率風(fēng)機(jī)控 制開(kāi)關(guān)管的溫升 轉(zhuǎn)換效率只能達(dá)到8 0 左右 i 一g 日 匕e s 達(dá)到高效率 9 0 以上 的 要求 因此i g b t 和i p m 的研制水平 開(kāi)關(guān)損耗和有限的安裝空f(shuō) 叫限制了了 關(guān) 電源功率密度和效率的提升 而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能克服這些缺點(diǎn) 交流傳動(dòng)電力機(jī)車充電機(jī)的輸入電源來(lái)自于其輔助電源系統(tǒng)輸出的 4 4 0 v 6 0 h z 三相交流電 充電機(jī)正常輸出工作電壓為1 0 8 v 設(shè)計(jì)要求其轉(zhuǎn)換效 率不小于9 0 這是采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)關(guān)電源難以達(dá)到的 因此需要研究能實(shí) 現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率的主電路結(jié)構(gòu) 該充電機(jī)的輸出電流要求達(dá)到1 5 0 a 在大功率 的前提下怎樣滿足其可靠性的要求 對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求 1 2 開(kāi)關(guān)電源的現(xiàn)狀與發(fā)展 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在2 0 世紀(jì)8 0 年代引入我國(guó) 由于在體積 重量 效率和可靠 性等多方面的優(yōu)勢(shì) 在計(jì)算機(jī) 通信 雷達(dá) 家用電器 自動(dòng)化設(shè)備等眾多領(lǐng)域 中已完全取代了傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源 國(guó)內(nèi)目前開(kāi)關(guān)電源自主研發(fā)及 生產(chǎn)廠家大約有3 0 0 家 形成規(guī)模的約有1 0 家 如愛(ài)默生電源 朝陽(yáng)電源 匯 眾電源等 lj 電力機(jī)車充電機(jī)的發(fā)展和電源技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān) 由于電力機(jī)車的高可靠 性要求 需要應(yīng)用較成熟的技術(shù) 從而其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展要稍滯后于電源技術(shù)的 發(fā)展 近年來(lái)丌關(guān)電源技術(shù)逐漸應(yīng)用到電力機(jī)車上 國(guó)內(nèi)已先后研制了幾種電力 機(jī)車用高頻開(kāi)關(guān)電源口 3 j 1 0 工 作 查1 0 里 1 0 1 0 1 0一1 0 2 1 0 3 一 a o 二 拿o 一 3 4 4 5 一作頻率 h z 圖1 1 器件容量與工作頻率的關(guān)系 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展與功率器件研制水平息息相關(guān) 2 0 世紀(jì)6 0 年代 丌關(guān)電 碩士學(xué)位論文第一章緒論 源的開(kāi)關(guān)頻率僅為數(shù)千赫茲 隨著開(kāi)關(guān)器件和磁性材料性能的改進(jìn) 開(kāi)關(guān)頻率也 不斷提高 但當(dāng)頻率達(dá)到1 0 k h z 左右時(shí) 變壓器 電感等磁性元件發(fā)出的噪聲 變得很刺耳 為了追求更小的體積和減小噪聲 在2 0 世紀(jì)7 0 年代 開(kāi)關(guān)頻率突 破了2 0 k h z 的人耳聽(tīng)覺(jué)極限 進(jìn)入 無(wú)聲 的頻域 史稱 2 0 k h z 革命 m o s f e t m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de 行e c tt r a n s i s t o r 的使用 使電源的開(kāi)關(guān)頻率 進(jìn)一步提高 此后 開(kāi)關(guān)電源在小功率應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)的線性電源 成為 計(jì)算機(jī) 彩色電視機(jī)等電器的電源裝置的主流 功率器件容量及開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系 如圖1 1 所示 隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展 各種變換器結(jié)構(gòu) 4 也在不斷發(fā)展 變換器可分為 非隔離型和隔離型兩大類 非隔離型變換器有降壓型 b u c k 升壓型 b o o s t 極性轉(zhuǎn)換型 b u c k b o o s t c u k 型等 隔離型變換器包括反激型 正激型 半 橋型 全橋型 推挽型等 進(jìn)入2 0 世紀(jì)8 0 年代 為了適應(yīng)宇航 軍事等應(yīng)用領(lǐng) 域?qū)﹄娫吹母?更輕 更高效的迫切要求 在原變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 出現(xiàn)了以 諧振為特征的軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 所謂 軟開(kāi)關(guān) 是指功率開(kāi)關(guān)器件采用零電壓開(kāi)關(guān) z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g 簡(jiǎn)稱z v s 或零電流開(kāi)關(guān) z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g 簡(jiǎn)稱 z c s 技術(shù) 5 該技術(shù)大幅度的降低了開(kāi)關(guān)損耗和減少了開(kāi)關(guān)噪聲 使得小型開(kāi) 關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到了5 0 0 k h z 10 m h z 功率密度接近10 w c m 3 從而為開(kāi)關(guān) 電源的發(fā)展史揭開(kāi)了新的一頁(yè) 諧振變換電路就是在普通開(kāi)關(guān)電路上增加電感和電容元件 或利用電路寄生 電感 變壓器漏感和開(kāi)關(guān)器件寄生電容等構(gòu)成諧振電路 使得開(kāi)關(guān)器件在零電壓 或零電流下進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變 以實(shí)現(xiàn)最佳開(kāi)關(guān)變換 諧振變換電路先后出現(xiàn)了負(fù)載 諧振變換電路和準(zhǔn)諧振變換電路等 為進(jìn)一步改善有源開(kāi)關(guān)和無(wú)源開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)條 件 盡可能消除寄生參數(shù)對(duì)變換器性能的影響 美國(guó)弗吉尼亞州立大學(xué)電力電子 研究中心 v p e c 于1 9 8 8 年提出了多諧振變換電路m r c m u l t i r e s o n a n t c o n v e r t e r 的概念 5 2 0 0 2 年浙江大學(xué)顧亦磊提出l l c 諧振變換器結(jié)構(gòu) 6 l l c 諧振變換器是在傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器s r c s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e r 的基礎(chǔ)上 減小勵(lì)磁電感改進(jìn)而來(lái)的 在相對(duì)于普通串聯(lián)s r c 并聯(lián)諧振變換器 p r c p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r 在特性上有明顯的改善 其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 初級(jí)開(kāi) 關(guān)管可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通 z v s 次級(jí)整流管可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷 z c s 在寬的 輸入電壓范圍內(nèi) 輸出功率越高 得到的轉(zhuǎn)換效率也越高 j 7 8 l l c 諧振變換器是在傳統(tǒng)l c 二階諧振變換器的基礎(chǔ)上減小勵(lì)磁電感改進(jìn)而 來(lái)的 在相對(duì)于普通串聯(lián) 并聯(lián)諧振變換器在特性上有明顯的改善 由于l l c 諧振變換器相對(duì)于普通串聯(lián) 并聯(lián)諧振多了一個(gè)諧振參數(shù) 如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化l l c 諧振變換器中的三個(gè)諧振參數(shù)是設(shè)計(jì)該類變換器的關(guān)鍵 目前 針對(duì)l l c 諧振 3 碩士學(xué)位論文第一章緒論 變換器還沒(méi)有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法 大都是用試錯(cuò)法 不斷的調(diào)試和修改來(lái)獲得最優(yōu) 參數(shù) 但是不能從原理上解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題 文獻(xiàn) 9 在時(shí)域內(nèi)推導(dǎo)了參數(shù)選擇 的參考公式 加入了限制條件 最后利用圖解法指明參數(shù)優(yōu)化方向 再結(jié)合調(diào)試 獲得設(shè)計(jì)參數(shù) 但是針對(duì)不同要求的電源 需要設(shè)置的限制條件不盡相同 所以 其工程可操作行不強(qiáng) 文獻(xiàn) 1 0 在頻率域內(nèi)分析了l l c 諧振半橋變換器的一些 特性 推導(dǎo)出了一些有價(jià)值的參考公式 確定了參數(shù)的大致范圍 再結(jié)合調(diào)試得 到需要的特性參數(shù)k 與q 值 對(duì)該類變換器的調(diào)試工作有非常大的指導(dǎo)意義 但 并沒(méi)有給出k 與q 值的明確的求解公式 而且l l c 諧振全橋變換器與l l c 諧振 半橋變換器的設(shè)計(jì)方法并不完全相同 提出一套完整的l l c 諧振全橋電路結(jié)構(gòu) 的參數(shù)設(shè)計(jì)方法是l l c 諧振全橋電路應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 多模塊并聯(lián)運(yùn)行的分布式電源系統(tǒng)代替集中式電源供電系統(tǒng)己經(jīng)成為大容 量高頻開(kāi)關(guān)直流電源系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向 如圖1 2 所示 當(dāng)需要大功率 輸出時(shí) 可采用功率電源模塊 大規(guī)?？刂萍呻娐纷龌静考?組成 積木式 智能化大功供電電源 這樣做既大大的減輕了對(duì)大功率元器件和裝置的研制壓力 又解決軟關(guān)電源在大功率場(chǎng)合中應(yīng)用的局限性 圖l 2 并聯(lián)電源系統(tǒng) 這種分布式電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有 能提高系統(tǒng)的靈活性 可顯著提高模塊的開(kāi) 關(guān)頻率 從而提高了電源模塊的功率密度 使電源系統(tǒng)的體積 重量下降 各個(gè) 模塊的功率半導(dǎo)體器件的電流應(yīng)力減少 提高系統(tǒng)的可靠性 可方便的實(shí)現(xiàn)n i 冗余供電 減少產(chǎn)品種類 便于標(biāo)準(zhǔn)化 并聯(lián)的開(kāi)關(guān)變換器模塊問(wèn)需要采用均流 措施 用于保證模塊間電應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配 防止一臺(tái)或多臺(tái)模塊運(yùn)行在 電流極限值狀態(tài) 因此采用可靠的均流措施是實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵 1 3 總體方案的提出 本文的目的是采用l l c 諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和模塊化冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行交流傳 動(dòng)電力機(jī)車充電機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 使該充電機(jī)具有容量大 效率高 功率密度高 和可靠性高等特點(diǎn) 4 碩士學(xué)位論文第一章緒論 l l c 諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)采用的是通過(guò)調(diào)節(jié)變換器工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電源輸出電 壓調(diào)整的p f m 控制方式 開(kāi)關(guān)管可以工作在 軟開(kāi)關(guān) 因此開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)硬開(kāi)關(guān) 要小得多 在既定的溫升內(nèi) 可以提高開(kāi)關(guān)管的工作頻率 使變換器工作在更高 頻率 提高高頻變壓器的利用率 由于i g b t 1 2 的工作頻率一般不超過(guò)2 0 k h z 而m o s f e t 工作頻率可達(dá)幾百k h z 因此本方案采用了m o s f e t 作為功率開(kāi)關(guān) 管 交流傳動(dòng)電力機(jī)車充電機(jī)輸出電流高達(dá)1 5 0 a 依據(jù)目前m o s f e t 的功率容 量 必須采用并聯(lián)運(yùn)行的方式 并聯(lián)有器件的并聯(lián)和電路并聯(lián)兩種 為提高可靠 性 本方案采用電源模塊輸出并聯(lián)方式 考慮到市面上m o s f e t 的容量 把1 5 0 a 一分為五 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1 3 每個(gè)電源模塊承擔(dān)3 0 a 的額定負(fù)載電流 電 源模塊結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1 4 圖1 3 電源模塊并聯(lián)原理框圖 蓖 模 塊 電 壓 輸 出 圖1 4 電源模塊結(jié)構(gòu)框圖 該電源系統(tǒng)由輸入三相交流接觸器 大功率三相交流濾波器 5 個(gè)電源模塊 模塊間并聯(lián)均流 監(jiān)控單元以及各模塊與監(jiān)控模塊的信號(hào)聯(lián)系等主要部分組成 5 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 其中三相濾波器采用大功率三相交流濾波器 減小電源系統(tǒng)對(duì)輸入的三相交流電 的影響 提高交流輸入的功率因素 模塊問(wèn)并聯(lián)均流總線可以實(shí)現(xiàn)各模塊的負(fù)載 均衡 監(jiān)控單元可以在線監(jiān)控整個(gè)電源系統(tǒng) 并提供人機(jī)接口 電源系統(tǒng)用電流 傳感器采集輸出總電流 送入監(jiān)控與通信系統(tǒng)部分 監(jiān)控總負(fù)載電流 1 4 論文的主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu) 本論文研究主要內(nèi)容是高頻諧振開(kāi)關(guān)電源技術(shù)以及并聯(lián)均流技術(shù) 針對(duì)電源 設(shè)計(jì)要求中9 0 以上的高效率要求 主電路采用l l c 諧振全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通過(guò) 調(diào)節(jié)頻率 p f m 實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓和均流 針對(duì)l l c 諧振電源的元件參數(shù)設(shè)計(jì)難 調(diào)試難的問(wèn)題 參考國(guó)內(nèi)外關(guān)于l l c 諧振的研究和設(shè)計(jì) 提出一套完整的l l c 諧振全橋電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法 考慮到電源大功率的特點(diǎn) 模塊化設(shè)計(jì)電源 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用負(fù)載均流措施 實(shí)現(xiàn)各l l c 諧振全橋變換器模塊的負(fù)載均分 功能 論文的具體組織結(jié)構(gòu)安排如下 第二章首先對(duì)比了常見(jiàn)的幾種諧振結(jié)構(gòu) 接著對(duì)l l c 諧振全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展 開(kāi)分析 通過(guò)建立l l c 全橋諧振變換器的線形等效模型 詳細(xì)分析了l l c 諧振 全橋的頻率 短路和空載特性 特別對(duì)其參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究 提出了一 套完整的l l c 諧振全橋電路結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法 第三章針對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車蓄電池充電機(jī)技術(shù)規(guī)范 采用第二章的諧振主 電路結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)參數(shù) 并用s a b e r 軟件進(jìn)行仿真 驗(yàn)證所選參數(shù)的 的正確性 依據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇器件 進(jìn)行基于l l c 諧振全橋的電源模塊的 設(shè)計(jì) 第四章首先對(duì)比了常用的并聯(lián)均流方法 了解了數(shù)字均流技術(shù)的特點(diǎn) 通過(guò) 對(duì)主從均流法和數(shù)字均流控制的研究和分析 采用基于c a n 總線的主從均流法 設(shè)計(jì)數(shù)字均流控制器 使數(shù)字均流技術(shù)比較好的應(yīng)用到工程中 最后對(duì)監(jiān)控模塊 的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì) 通過(guò)c a n 總線接口和人機(jī)接口的設(shè)計(jì) 提高了電源 系統(tǒng)的智能化和可操作性 第五章對(duì)單模塊和整個(gè)電源系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行了分析 證明了本文理 論研究和設(shè)計(jì)方法的正確性 第六章首先對(duì)本文的主要工作進(jìn)行了總結(jié) 并指明需要改進(jìn)以及有待繼續(xù)深 入研究的問(wèn)題 6 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 諧振變換器技術(shù)相對(duì)p w m p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 變換器技術(shù) 具有開(kāi) 關(guān)工作頻率高 開(kāi)關(guān)損耗小 效率高 重量輕 體積小 e m i 噪聲小 開(kāi)關(guān)應(yīng)力 小等優(yōu)點(diǎn)i 塒 但它在控制方法 參數(shù)設(shè)計(jì) 輸入輸出特性調(diào)節(jié)上卻相對(duì)復(fù)雜 首 先諧振變換器是采用p f m p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n 技術(shù)實(shí)現(xiàn)變換器輸出電 壓調(diào)整的 不能沿用p w m 技術(shù)的設(shè)計(jì)與控制方法 其次由于變換器工作在較高 頻率 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求更高 最后諧振變換器中主電路中諧振元件的參數(shù)決定 了諧振變換器的工作狀態(tài) 因此如何設(shè)計(jì)這些諧振參數(shù)是設(shè)計(jì)諧振變換器的關(guān) 鍵 l l c i 皆振變換器是在傳統(tǒng)l c 二階諧振變換器的基礎(chǔ)上減小勵(lì)磁電感改進(jìn)而 來(lái)的 l l c 諧振變換器以其同時(shí)兼具空載工作能力和諧振槽路電流反映負(fù)載輕 重的能力 因而具有普通串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì) l l c 諧振變換器相對(duì)于普通串聯(lián) 并聯(lián)諧振多了一個(gè)諧振參數(shù) 如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化 l l c 諧振變換器中的三個(gè)諧振參數(shù)是設(shè)計(jì)該類變換器的關(guān)鍵 提出一整套工程可 操作的變換器設(shè)計(jì)方法是本章的一個(gè)重要內(nèi)容 2 1l l c 諧振全橋與典型諧振拓?fù)涞谋容^研究 功率諧振變換器是以諧振電路為基本變換單元 利用電路發(fā)生諧振時(shí) 電流 或電壓周期性地過(guò)零點(diǎn) 使得開(kāi)關(guān)器件在零電壓或者零電流條件下開(kāi)通或者關(guān) 斷 從而實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān) 到降低開(kāi)關(guān)損耗的目的 諧振變換器的結(jié)構(gòu) 1 4 如圖2 1 所示 交流方波電壓或電流加在諧振網(wǎng)絡(luò)兩端 產(chǎn)生高頻諧振 諧振電壓或電流經(jīng)過(guò)整流和濾波后 轉(zhuǎn)變成直流電壓或電流 從 而實(shí)現(xiàn)直流 直流變換 d c d c 圖2 1 諧振變換器結(jié)構(gòu)示意圖 諧振變換器有多種不同的分類方法 15 1 根據(jù)負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系 諧振變換器可以分為串聯(lián)諧振變換器 s r c 并聯(lián)諧振變換器 p r c 以及兩 7 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 者的結(jié)合所生成的串并聯(lián)諧振變換器 s p r c s e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n t c o n v e r t e r 下面就以這三種諧振變換器以及諧振和p w m 控制相結(jié)合的移相全 橋分別作簡(jiǎn)單的介紹 2 1 1 典型諧振拓?fù)?1 串聯(lián)諧振變換器 串聯(lián)諧振變換器 1 7 1 8 i 掃串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)和整流環(huán)節(jié)構(gòu)成 圖2 2 給出了半橋式 串聯(lián)諧振變換器的電路拓?fù)?全橋式結(jié)構(gòu)與之類似 諧振網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)全橋整 流濾波電路與負(fù)載r l 相串聯(lián) c o 為濾波電容構(gòu)成濾波電路 1 9 輸入側(cè)的兩個(gè) 電容c 1 c 2 相等 且容量很大 可認(rèn)為它們上面的電壓恒定 對(duì)輸入電壓進(jìn)行 分壓作用 分壓電容不參與諧振過(guò)程 在半橋電路中 開(kāi)關(guān)管s 1 和s 2 為互補(bǔ)導(dǎo) 通 但s 1 和s 2 之問(wèn)設(shè)有一定死區(qū)時(shí)間 以避免直通 當(dāng)s 1 或d s l 導(dǎo)通時(shí) a a 兩點(diǎn)電壓v aa v i n 2 當(dāng)s 2 或d s 2 導(dǎo)通時(shí) a a 兩點(diǎn)電壓v r 從 v i n 2 因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期上 a a 兩點(diǎn)間形成一個(gè)對(duì)稱交流方波電壓 幅值為 v i n 2 圖2 2 串聯(lián)諧振變換器拓?fù)?從結(jié)構(gòu)上來(lái)看 諧振回路和負(fù)載構(gòu)成了一個(gè)分壓器 如果改變開(kāi)關(guān)管的工作 頻率 那么諧振回路的阻抗也將改變 從而負(fù)載上的電壓也改變 串聯(lián)諧振是一 個(gè)分壓電路 因此它的直流增益不會(huì)超過(guò)1 當(dāng)電路工作在諧振頻率z l 與c 串聯(lián)諧振頻率 時(shí) 諧振回路的阻抗最小 這時(shí)增益最大 因此對(duì)一個(gè)串聯(lián)諧振 變換器來(lái)說(shuō) 在諧振頻率點(diǎn)它的增益最大 串聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)在于 工作頻率廠大于諧振頻率 f 時(shí) 原邊開(kāi)關(guān)管 z v s 開(kāi)通 副邊整流二極管z c s 開(kāi)通 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 電路中的循環(huán)電流比較 低 準(zhǔn)正弦整流電流 其缺點(diǎn)是 輕載時(shí)電路的工作頻率很高 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要 求過(guò)高 調(diào)節(jié)范圍比較窄 不適合用于設(shè)計(jì)輸入電壓范圍較寬的電源 2 并聯(lián)諧振變換器 8 碩士學(xué)位論文 第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 如圖2 3 所示 為并聯(lián)諧振變換器 2 0 2 1 1 全橋整流電路不是與諧振網(wǎng)絡(luò)串聯(lián) 而是與諧振電容c 并聯(lián) 整流橋輸出經(jīng)l c 平滑濾波 向負(fù)載傳送能量 當(dāng)諧振 電容c 的兩端電壓為正時(shí) 整流橋二極管d r l 和d r 4 導(dǎo)通并流過(guò)輸出濾波電感電 流i o 輸出濾波電感值一般較大 因此流過(guò)其的電流可近似看成直流 當(dāng)諧振 電容c 兩端電壓為負(fù)時(shí) 整流橋二極管d r 2 和d r 3 導(dǎo)通并流過(guò)電流入i o 因此流 入整流橋的輸入電流為方波電流士i o 而整流橋輸出電壓為諧振電容c 的兩端電 壓v b b 電壓全波整流得來(lái) 由于輸出濾波電感l(wèi) o 上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均為 零 所以輸出電壓v o 等于經(jīng)全波整流的v b b 電壓的平均值 也即i v l 的平均值 為輸出電壓v o 圖2 3 并聯(lián)諧振變換器拓?fù)?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z l 與c 并聯(lián)諧 振點(diǎn) 原邊管實(shí)現(xiàn)z v s 開(kāi)通 調(diào)節(jié)范圍比較寬 其缺點(diǎn)是 電路中的循環(huán)電流 比較大 輸出濾波電感比較大 不利于功率密度的提升 3 串并聯(lián)諧振變換器 圖2 4l c c 串并聯(lián)諧振變換器拓?fù)?如圖2 4 為串并聯(lián)諧振變換器 l c c f 2 2 1 的拓?fù)?串并聯(lián)諧振變換器可以看 9 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 作是串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器的結(jié)合 其中l(wèi) 為諧振電感 c 為串聯(lián) 諧振電容 c p 為并聯(lián)諧振電容 通過(guò)全橋整流和b c o 濾波給負(fù)載傳輸能量 串并聯(lián)諧振變換器的運(yùn)行模式總的來(lái)說(shuō)可以分為電容電壓連續(xù)和斷續(xù)兩種模式 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在f f 2 范圍內(nèi)時(shí) 并聯(lián)諧振電容電壓斷續(xù) 開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通 零電壓或零電流關(guān)斷 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在 2 z 范圍內(nèi) 時(shí) 并聯(lián)諧振電容上的電壓連續(xù) 諧振回路呈感性 開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān) 串并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)在于 原邊功率m o s f e t 實(shí)現(xiàn)了z v s 電路的工 作頻率變化范圍比較窄 其缺點(diǎn)是 調(diào)節(jié)范圍比較窄 電路內(nèi)的循環(huán)電流比較大 輸出濾波電感比較大 4 移相全橋變換器 移相全橋變換裂2 3 2 4 綜合了諧振和p w m 技術(shù) 是在全橋變換器的基礎(chǔ)上發(fā) 展起來(lái)的 它減小了全橋變換器在高頻工作時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗 它的原理圖如圖2 5 所示 直流輸入電壓為u i n s i s s 3 s 為功率m o s f e t 管 d l d d 3 d 是相應(yīng)的體二極管 m o s f e t 管還包括輸出電容c c 2 c 3 c l k 包括 變壓器原邊漏感和外串電感 i i 鏟 廠l 上 f l d 5 c o t r ll i u s 蘆 l 圖2 5 移相全橋變換器拓?fù)?移相全橋變換器中四個(gè)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通 z v s 是利用電感l(wèi) 和開(kāi)關(guān) 管輸出電容諧振c c c c 漏感能量向電容c c c c 釋放 使c l c c 3 c 的電壓降到零 體二極管d d d 3 d 開(kāi)通 為s l s 2 s s 的z v s 創(chuàng)造條件 利用移相技術(shù) 讓兩橋臂的開(kāi)關(guān)管s s 和s s 的 驅(qū)動(dòng)脈沖之間保持一定的相位差 改變相位差 就可以改變有效占空比d 從 而調(diào)節(jié)輸出電壓 l o 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 移相全橋變換器的優(yōu)點(diǎn)在于 開(kāi)關(guān)管在z v s 條件下運(yùn)行 開(kāi)關(guān)損耗小 控 制簡(jiǎn)單 脈寬恒定 只控制移相 有現(xiàn)成控制芯片 如u c 3 8 7 5 恒頻工作 電壓 電流應(yīng)力小 可用兩倍開(kāi)關(guān)頻率的濾波器 e m i 小 其缺點(diǎn)是 輕載時(shí) 滯后臂開(kāi)關(guān)管的z v s 條件難實(shí)現(xiàn) 原邊有較大的環(huán)流 增加了導(dǎo)通損耗 輸出二極管無(wú)法實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān) 其開(kāi)關(guān)損耗較大 頻率過(guò)高 諧 振過(guò)大都會(huì)造成占空比丟失 2 1 2l l c 諧振全橋變換器 l l c 諧振變換器結(jié)構(gòu)于2 0 0 2 年由浙江大學(xué)顧亦磊等 6 提出了 與前幾種諧振 變換器相比 l l c 諧振全橋變換器又有其獨(dú)特之處 2 5 2 6 見(jiàn)圖2 6 全橋d c d c 變流器因具有很高的功率密度和磁芯利用率而廣泛應(yīng)用于中功 率場(chǎng)創(chuàng)2 7 1 全橋d c d c 變流器有多種拓?fù)?l l c 諧振全橋變換器主電路是在傳 統(tǒng)全橋電路結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)諧振電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上演變而來(lái) 其主要優(yōu)點(diǎn)有 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 初級(jí)開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)z v s 且關(guān)斷電流小 次級(jí)整流二極管可實(shí)現(xiàn)z c s 可 消除反向恢復(fù)時(shí)的寄生振蕩現(xiàn)象 效率較高 可高頻化 2 8 1 l l c 諧振全橋變換器 主電路結(jié)構(gòu)圖2 6 所示 囂 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò) 卜振網(wǎng)絡(luò)i 盛陋bi 負(fù)載 v 一 m 圖2 6l l c 諧振全橋變換器主電路 t l 一 廠l 上 r lc d 5 c o t l i 從圖2 6 可見(jiàn) 電路的主要部分是 直流輸入 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò) 諧振網(wǎng)絡(luò) 變壓 器 整流電路 濾波電路以及負(fù)載 其中開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括四個(gè)功率m o s f e t s s s s s 和s 的控制脈沖是相同的 s 和s 的控制脈沖是相同的 而 且s s s ps 的占空比都是5 0 d d d d 分別是功率m o s f e t s s 2 s 3 s 的體二極管 c i c 2 c pc 分別是功率m o s f e t s s s s 的寄生電容 諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電容c 勵(lì)磁電感l(wèi) 和諧振電感l(wèi) 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 變壓器為帶中間抽頭的理想變壓器t 變壓器原 副邊的匝數(shù)比是n 1 1 變 壓器副邊輸出是一個(gè)帶中間抽頭的雙半波整流 全波整流 濾波結(jié)構(gòu) 全波整流 二極管d 和d 輸出電容c 負(fù)載r l 為了下面討論方便 諧振電容c 和諧振電感l(wèi) 的串聯(lián)諧振頻率 定義為 一 2 1 j 7 2 石 l r c r 諧振電容c 諧振電感l(wèi) 和激磁電感l(wèi) 的串聯(lián)諧振頻率厶定義為 蘆蘭 一 2 2 2 y x l l c 見(jiàn)圖2 2 在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器 s r c 中 激磁電感l(wèi) 被認(rèn)為是無(wú)窮 大的 它不參與諧振 諧振回路僅由l 和c 構(gòu)成的 為了實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管s 1 和 s 2 的z v s 條件 開(kāi)關(guān)頻率必須高于l c 諧振回路的諧振頻率 然而對(duì)于全橋l l c 串聯(lián)諧振變換器來(lái)說(shuō) 它的工作頻率可以低于l c 的諧振頻率 f 但要高于 l 一l 一c 的諧振頻率厶 相對(duì)于傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器 它不僅可以工作在 f f r 和f z 的頻率范圍內(nèi) 而且它可以工作在厶 f 和f z 的頻率范圍內(nèi)的工 作過(guò)程和s r c 類似 下面具體分析l l c 諧振全橋變換器工作在f m f z 的頻率 范圍之內(nèi)的工作過(guò)程 2 8 1 在厶 f f r 工作頻率范圍之內(nèi) l l c 全橋諧振變換器的工作波形如圖2 7 所示 圖2 7 可以分成6 個(gè)工作模態(tài) 在圖2 6 中 輸出電容c o 假定為無(wú)窮大 因 此輸出電壓v o 可以被認(rèn)為不變的 為了說(shuō)明簡(jiǎn)單 忽略圖2 6 中給出的功率 m o s f e t 管的寄生電容 模態(tài)l f l t t 2 當(dāng)t 時(shí) s 2 關(guān)斷 諧振電流給s i 的寄生電容放電 一直 n s l 上的電壓為零 然后s i 的體二級(jí)管d l 導(dǎo)通 此階段中激磁電感l(wèi) 上的電壓 被輸出電壓鉗位 所以 此時(shí)只有諧振電感l(wèi) 和諧振c 電容參與諧振 模態(tài)2 t 厶 當(dāng)t t 2 時(shí) s l 在零電壓下導(dǎo)通 變壓器原邊承受正向電 壓 二極管d 5 導(dǎo)通 而開(kāi)關(guān)s 2 二極管d 6 截止 此時(shí)諧振電容c 和諧振電感l(wèi) 參與諧振 而激磁電感l(wèi) 不參與諧振 僅作為變壓器 此時(shí)諧振電流按正弦波 規(guī)律增加 另外激磁電流從負(fù)的峰值到正的峰值線性增加 諧振電流f 和激磁電流 之間的差值就是負(fù)載電流 通過(guò)輸出整流二 極管d 5 傳給負(fù)載 因?yàn)殚_(kāi)關(guān)周期大于諧振電感l(wèi) 和諧振電容c 的諧振周期 當(dāng) t 厶時(shí) 諧振電流f 下降一直到與激磁電流乙相同 1 2 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 模態(tài)3 島 f f 4 當(dāng)t 島時(shí) s l 仍然導(dǎo)通 而d 1 處于關(guān)斷狀態(tài) 此時(shí)激磁 e l g f 謄l 諧振電感l(wèi) 和諧振電容c 起參與諧振 實(shí)際電路中的激磁電感l(wèi) 遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于諧振電感l(wèi) 諧振電容c 和激磁電感l(wèi) 構(gòu)成的諧振周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周 期 因此在這個(gè)階段可以認(rèn)為激磁電流保持不變的 s 縐 s 每 k v 蹦j j 蹦 矗 l iili iil i ls l js 酗i l s i l 一 li i 7 l lit il ll 珍 l 一牝 一珍 k忐 斗k 黼 餼 il l i l ll ll i l l 炒i ll l z v s 嬉 l1 ij li 0 0 一 l t 歹7 一 八八 缸 婦 l b k k ll i ll i t 2 b i 缸 乜l 7 i t s i ii i ll l 圖2 7 在厶 f z 期間l l c 諧振全橋變換器主要波形 模態(tài)4 t 4 t f s 當(dāng)t 乙時(shí) s l 關(guān)斷 諧振電流給s 2 的寄生電容放電 一 直n s 2 上的電壓為零 然后s 2 的體二級(jí)管d 2 導(dǎo)通 此階段激磁電感l(wèi) 上的電壓 被輸出電壓鉗位 因此只有諧振電感l(wèi) 和諧振c 電容參與諧振 模態(tài)5 久 t t 6 當(dāng)t t s 時(shí) s 2 在零電壓下導(dǎo)通 變壓器原邊承受反向電 壓 二極管d 6 導(dǎo)通 而開(kāi)關(guān)s l 二極管d 5 截止 此時(shí)諧振電容c 和諧振電感l(wèi) 參 與諧振 而激磁電感l(wèi) 不參與諧振 僅作為變壓器 模態(tài)6 t 6 t t 7 當(dāng)t 氣時(shí) s 2 仍然導(dǎo)通 而d 6 處于關(guān)斷狀態(tài) 此時(shí)激磁 電感l(wèi) 諧振電感l(wèi) 和諧振電容c 一起參與諧振 實(shí)際電路中的激磁電感l(wèi) 遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于諧振電感l(wèi) 因此在這個(gè)階段可以認(rèn)為勵(lì)磁電流保持不變 對(duì)于t 7 t 厶 工作模態(tài)同模態(tài)1 后面的工作過(guò)程重復(fù)以上6 個(gè)模態(tài) 通過(guò)以上分析以及圖2 7 可以看出l l c 諧振全橋d c d c 變換器的優(yōu)點(diǎn) 原 邊m o s f e t 管z v s 開(kāi)通 副邊整流管z c s 開(kāi)通 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 效率比較高 高 頻和高功率密度 電路的輸入電壓范圍和輸出功率范圍比較大 原邊和副邊管子 上的電壓應(yīng)力比較低 1 3 碩士學(xué)位論文第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 其缺點(diǎn)是 短路時(shí) 原邊的電流比較高 電路中的循環(huán)電流比較高 通過(guò)串聯(lián)諧振變換器 并聯(lián)諧振變換器 串并聯(lián)諧振變換器 移相全橋變換 器和l l c i 皆振全橋變換器五個(gè)電路的簡(jiǎn)單分析和優(yōu)缺點(diǎn)的討論 發(fā)現(xiàn)l l c 諧振全 橋變換器具有上述四個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn) 又避開(kāi)了部分不足 使得其有很好的研究和 應(yīng)用價(jià)值 當(dāng)然 l l c i 皆振全橋變換器也有它的缺點(diǎn) 但這些缺點(diǎn) 在其他四個(gè)電路中 也是存在的 但是 通過(guò)合理的設(shè)計(jì) 這些不足是可以克服的 但它的優(yōu)點(diǎn)又是 顯然的 2 2l l c 諧振全橋變換器的特性分析 上節(jié)分析了l l c 諧振全橋d c d c 變換器的工作原理 下面通過(guò)建立l l c 諧振 全橋d c d c 變換器的等效模型 對(duì)該諧振變換器的頻率 空載和短路特性進(jìn)行 深入的研究 在分析中采用了美國(guó)m a t h s o f l 公司開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)c a d 軟件系統(tǒng) m a t h c a d 2 9 1 2 2 1l l c 諧振全橋變換器的頻率特性 為了更好地分析l l c 諧振全橋變換器的頻率特性 采用一個(gè)線性交流等效 模型 姍 如圖2 8 所示 為分析方便 先做如下假設(shè) 1 所用開(kāi)關(guān)管 二極管 電感 電容和變壓器均為理想 2 開(kāi)關(guān)管寄生電容不參與諧振 其影響可以忽略 3 輸出濾波電容c o 取值很大 故出電壓紋波很小 可認(rèn)為是直流電壓 v i l l 療場(chǎng) 圖2 8l l c 諧振全橋變換器的線性等效模型 圖中r 為電壓型負(fù)載全波整流電路的交流等效負(fù)載 是實(shí)際負(fù)載從副邊折 算回原邊 9 1 可利用基波分析方法得到的 r 1 1 2 r l 8 n 2 其中n 為變壓器 的匝比 r l 為負(fù)載電阻 從諧振槽路入端看進(jìn)去的回路阻抗 1 4 碩士學(xué)位論文 第二章l l c 諧振全橋變換器設(shè)計(jì)方法的研究 乙2 去圩妒l 蹴 為了分析簡(jiǎn)單 只考慮輸入電壓和輸出電壓的基波 直流增益 9 可表示為 i 竺 生 墾簽 塵受一l 竺 蘭磐 竺 墜 w u i 志 妒l 等竣 口 a