畢業(yè)設(shè)計電流源型LCL諧振式變換器的研究

1、摘 要諧振變換器可通過諧振元件的諧振實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通或零電流關(guān)斷，具有較高的效率。由于開關(guān)損耗小，變換器可工作在較高頻率下，它的體積小，功率密度大。諧振變換器已在DC-DC 變換器中得到了廣泛應(yīng)用， 并在不斷地發(fā)展之中。該畢業(yè)設(shè)計論文主要研究在一定條件下可實現(xiàn)輸出恒流特性的LCL 諧振變換器及其品質(zhì)因數(shù)優(yōu)化設(shè)計，最后設(shè)計出基本控制電路。闡述 LCL 諧振變換器工作于恒流源模式下的工作過程及其實現(xiàn)恒流特性的原理。仿真主電路波形，在一定頻率下，電路能保持橫流時負(fù)載可以變化的范圍，為分析變換器工作于非諧振頻率時的特性，給出不同品質(zhì)因數(shù)下，開關(guān)頻率變化時，變換器的電流增益特性曲線及諧振電感電流有

2、效值、電容電壓有效值的關(guān)系曲線，并分析得到品質(zhì)因數(shù)的選擇對變換器的恒流特性及諧振元件電壓電流應(yīng)力的影響，提出基于品質(zhì)因數(shù)的變換器優(yōu)化設(shè)計方法。LCL 諧振式變換器在品質(zhì)因數(shù)等于多少時，工作狀況較好。最后，通過對主電路的理解，設(shè)計出控制電路。關(guān)鍵詞 LCL 諧振；恒流源；品質(zhì)因數(shù)；控制電路AbstractResonant converter available through resonant element of resonance of the switching pipe ZVS or zero current showdown , relatively efficient. Becaus

3、e switching losses, converter to work at higher frequencies, its small size, power density . Resonant converter has been in the DC-DC converter extensively 。A LCL resonant converter behaving as a current source in certain condition and its optimization design method was investigated in this paper. T

4、he working process of this topology as a constant current source was analyzed and the principle why this topology could work as a constant current power-supply was presented. To investigate the converter performance when the converter does not work under resonant frequency , the converter current ga

5、ins versus switching frequency under different quality factors were presented, andthe relations between resonant inductor currents or resonant capacitor voltage with switching frequency under different quality factors were presented. The influences of quality factor on constant-current characteristi

6、c and current or voltage stress of the resonant components were analyzed. Then the optimization design method of the converter based on quality factor was proposed. LCL resonant converter in quality factor is equal to the number, the better working conditions. Finally, through the understanding of t

7、he primary circuit to make the control circuit.Keywords LCL resonant,constant current source,quality factor,control circuit目 錄摘 要 . . I Abstract . I I第1章 緒論 . .11.1 課題背景.11.1.1 國外諧振式變換器研究的情況 . .11.1.2 國內(nèi)諧振式變換器研究的情況 . .21.1.3 諧振式變換器的發(fā)展概況 . .21.2 選題的依據(jù)和意義.41.3 課題研究的目的和研究的內(nèi)容.5第2章 LCL 諧振式變換器主電路分析 .72.1

8、LCL 變換器的工作過程與工作原理 .72.1.1 LCL 變換器的系統(tǒng)框圖 .72.1.2 LCL 變換器的工作過程 .72.1.3 LCL 變換器的工作原理及其數(shù)學(xué)公式推導(dǎo) .92.2 作為恒流源使用時的參數(shù)設(shè)計過程.132.2.1 參數(shù)設(shè)計公式的推導(dǎo) . .132.2.2 參數(shù)計算 . .152.3 主電路的工作過程仿真研究.152.4 本章小結(jié).20第3章 變換器品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 . .213.1 品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)化分析.213.1.1 品質(zhì)因數(shù)對恒流性能的作用 . .213.2 本章小結(jié).25第4章 控制電路的設(shè)計 . .264.1 控制電路電流反饋設(shè)計.264.1.1 反饋電路設(shè)計理

9、念 . .264.1.2 具體的設(shè)計方案 . .264.2 控制電路芯片設(shè)計.274.2.1 MC34067芯片的簡介.274.2.2 MC34067芯片的外圍設(shè)計 . 284.3 保護(hù)電流的設(shè)計 . 294.4 本章小結(jié) . 30結(jié) 論. 31參考文獻(xiàn). 32第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1 國外諧振式變換器研究的情況現(xiàn)有的軟開關(guān)技術(shù)方面的文獻(xiàn)對軟開關(guān)零電流和零電壓諧振問題的電路分析主要是集中在把諧振過程分為四個獨立的階段（電感充電、諧振、電容放電、二極管續(xù)流）來處理，這主要是因為電路的非線性和運行的復(fù)雜性。這種處理方式雖然方便了讀者的理解，但對整個電路的連續(xù)運行以及整體把握上卻缺乏有

10、效的機制。自20世紀(jì)80年代初美國VPEC 李澤元教授提出諧振式軟開關(guān)的概念，到80年代后期美國威斯康星大學(xué)的D M Divan 教授提出諧振式直流環(huán)節(jié)逆變器和極諧振變換器技術(shù)，20多年來，研究人員圍繞這兩種基本拓?fù)湎嗬^提出了許多軟開關(guān)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，逆變器分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩類，在硬開關(guān)逆變器中，功率器件直接與電壓源和電流源相連，開關(guān)電壓和電流波形的改變會引起嚴(yán)重的開關(guān)損耗，另外由于功率器件存在寄生電容雜散電感，在開關(guān)瞬間會引起很高的電壓電流尖峰。它與傳統(tǒng)的硬開關(guān)電路相比，有著許多明顯的優(yōu)勢，但諧振式軟開關(guān)技術(shù)遠(yuǎn)末達(dá)到成熟的程度，有許多問題值得進(jìn)一步的研究。諧振變換器是依靠改變開

11、關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作頻率實現(xiàn)對輸出量的控制的，因此它是一種變頻控制的諧振型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。諧振技術(shù)的應(yīng)用可以方便地得到開關(guān)管的驅(qū)動信號，降低電源的體積和成本。除此之外通過調(diào)整諧振電容值可以控制振蕩器的輸出頻率，方便地實現(xiàn)高壓開關(guān)電源的高頻化從而使得高壓電源的體積大幅度減小目。相比線性電源，開關(guān)電源的效率和噪聲也得到了大幅度的改善。高壓直流電源廣泛應(yīng)用 于軍事雷達(dá)激光器、電除塵器、應(yīng)加熱和醫(yī)用X 射線等設(shè)備。靜感在高壓電源中，高壓變壓器是關(guān)鍵構(gòu)成部分，由于它二次側(cè)匝數(shù)很多，二次側(cè)對一次 側(cè)的匝比很大，因此呈現(xiàn)出較大的寄生參數(shù)，如漏感和繞組電容。如果將高壓變壓器直接應(yīng)用在PWM 變換器中，那么漏感的存在會產(chǎn)

12、生較高的電壓尖 峰，損壞功率器件，繞組電容的存在會使變換器有較大的環(huán)流，降低了變換器的效率f 。而諧振變換器可以利用電路中的寄生參數(shù)參與工作，因此它適 用于高壓直流電源中，同時諧振變換器可以實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通或零電流的開通與關(guān)斷，降低噪聲，減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率，降低變換器的體積。1.1.2 國內(nèi)諧振式變換器研究的情況 諧振變換器可通過諧振元件的諧振實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通或零電流關(guān)斷，具有較高的效率。由于開關(guān)損耗小，變換器可工作在較高頻率下，它的體積小，功率密度大。諧振變換器已在DC-DC 變換器中得到了廣泛應(yīng)用，并在不斷地發(fā)展之中。在兩元件的串、并聯(lián)諧振變換器研究基礎(chǔ)之上，多元件的諧振變換器

13、，如 LLC 1-5、LCC 8等，也逐漸得到應(yīng)用。目前研究的諧振變換器實現(xiàn)的多為電壓源的功能，對實現(xiàn)恒流源性能的諧振變換器的研究還比較少。而恒流源在商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等方面已得到日益廣泛的應(yīng)用，例如電容器充電、蓄電池充電、電弧焊、發(fā)光二極管的驅(qū)動等。電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展, 新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代, 還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn), 將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟, 實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年, 隨著通信行業(yè)的發(fā)展, 以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源, 僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求, 吸引了國內(nèi)外一

14、大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨, 因此, 同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動, 并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。1.1.3 諧振式變換器的發(fā)展概況諧振變換器是使用很廣泛的一類軟開關(guān)，從1984年美國的Le F C 教授等人提出諧振開關(guān)的概念，用諧振開關(guān)單元來代替基本PWM 變換器中的開關(guān)單元，形成準(zhǔn)諧振、多諧振開關(guān)變換器。在這類變換器中，通過諧振使開關(guān)器件上的電流或電壓按準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，從而可以實現(xiàn)零電流或零電壓丌關(guān)條件。準(zhǔn)諧振與多諧振變換器可分為零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器,

15、 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器, 零電壓開關(guān)多諧振變換器. 諧振變換器可以通過諧振元第1章 緒論件的諧振實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS 或ZCS ，具有較高的效率。由于開關(guān)損耗小，變換器可以工作在較高頻率下，它的體積小，功率密度大。諧振變換器已經(jīng)在DC-DC ；變換器中得到了廣泛的應(yīng)用，并在不斷地發(fā)展之中。諧振變換器是依靠改變開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作頻率實現(xiàn)對輸出量的控制的，因此它是一種變頻控制的諧振型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。諧振技術(shù)的應(yīng)用可以方便地得到開關(guān)管的驅(qū)動信號，降低電源的體積和成本。除此之外通過調(diào)整諧振電容值可以控制振蕩器的輸出頻率，方便地實現(xiàn)高壓開關(guān)電源的高頻化從而使得高壓電源的體積大幅度減小目。相比線性電源，開關(guān)電源

16、的效率和噪聲也得到了大幅度的改善。在PWM 逆變電路中，常規(guī)的硬開關(guān)PWM 逆變器的開關(guān)頻率不能太頻繁，這是因為受到許多因素的制約，例如，開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電壓和電流存在疊加部分，使器件產(chǎn)生開通損耗關(guān)斷損耗，而且這種功率損耗隨開關(guān)的頻率增加而加大。開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的電壓尖峰和電流尖峰使開關(guān)器件的波形急劇突變，開關(guān)器件的電流或電壓運行軌跡可能超出安全工作區(qū)，影響開關(guān)的可靠運。二極管的反向恢復(fù)問題：二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在反向恢復(fù)期，在此期間內(nèi)，二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，若與其串聯(lián)的開關(guān)器件此時立即開通，容易造成直流電源瞬間短路。產(chǎn)生很大的沖擊電流，輕則引起該開關(guān)管和二極管損耗急劇加大，重則致使

17、其損壞。開關(guān)器件產(chǎn)生的電壓和電流過高，將產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。由低壓蓄電池組料電池等供電的逆變電源系統(tǒng)，常采用兩級串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)化為隔離通前壓電路，將低的電池電壓轉(zhuǎn)換成恒定的高壓直流母線電壓后級為變換器，在這些系統(tǒng)中，限的電池儲能對系統(tǒng)的效率提出了更高的要求即使是中等功率的應(yīng)用，電池的電流也將達(dá)到電池電壓的上百倍。因為電路損耗大多在前級電路上，因此研究如何 改善前級電路的效率是非常重要的。開關(guān)電源可通過降低電源部分的損耗，控制小型化所致的溫升，并可通過提高開關(guān)頻率，使電容器和變壓器等以小型化和低成本方面遠(yuǎn)趕不上電子設(shè)備本身的發(fā)展，致使其在電子設(shè)備中所占的比例成了當(dāng)今電子設(shè)備中的一個不容忽視的問題。

18、目前研究的諧振式變換器以穩(wěn)壓電源的研究為主，恒流源的研究還比較 少。而恒流源在商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療等方面已經(jīng)得到日益廣泛的應(yīng)用，例如電容器充電、蓄電池充電、電弧焊、發(fā)光二極管的驅(qū)動等。1.2 選題的依據(jù)和意義 開關(guān)電源可通過降低電源部分的損耗，控制小型化所致的溫升，并可通過提高開關(guān)頻率，進(jìn)一步使電容器、電感和變壓器等得以小型化和低成本化。然而，由于電源的開關(guān)頻率受到一定限制，在輕量和低成本方面遠(yuǎn)趕不上電子設(shè)備本身的發(fā)展，致使其在電子設(shè)備中所占的比例，已成為當(dāng)今電子設(shè)備發(fā)展中一個不容忽視的問題。諧振式變換器就是為解決開關(guān)電源的這類問題而研究開發(fā)的一種電路形式，已成為當(dāng)今電源技術(shù)中的一個中心課題引起了

19、人們的普遍關(guān)注。但是，諧振式變換器在實用方面還有許多有待解決的問題，而且根據(jù)諧振式變換器所需技術(shù)，在原理上也還有不少難以解決的問題。諧振式變換器可以解決這些電源技術(shù)的問題及其有很好的解決前景。但諧振型軟開關(guān)技術(shù)遠(yuǎn)末達(dá)到成熟的程度，有許多問題值得進(jìn)一步的研究。比如：如何通過比較簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)逆變器的軟開關(guān)，同時并不增加開關(guān)器件的電壓和電流應(yīng)力；什么樣的控制方式更適合于軟開關(guān)逆變器；怎樣設(shè)計高頻諧振電感更合理，更有效，怎樣制作在大功率、高頻率下的電容。諧振變換器是一種適應(yīng)于高頻化電路方式，要使之達(dá)到實用就必須解決以下幾個問題：第一：頻率固定情況下難以直接進(jìn)行電壓調(diào)整的問題；第二：開關(guān)元件的應(yīng)力

20、問題；第三：電感和電容的發(fā)熱問題。其中，電壓調(diào)整問題最難解決，在電流諧振式里通過開關(guān)的電流的寬度和在電壓諧振式里加在開關(guān)的電壓寬度都分別由電路確定。如果開關(guān)頻率為固定值，要控制占空比，就必須使周期發(fā)生變化。但改變開關(guān)頻率使伴隨開關(guān)啟閉產(chǎn)生的噪聲的頻譜發(fā)生變化，就不利于噪聲的抑制。另外，決定變換器尺寸的磁器件和電容器要按最低頻率設(shè)計，這樣就未必能實現(xiàn)最小化。因此，在對諧振式變換器進(jìn)行頻率控制時，要選擇負(fù)載特性盡可能平坦，輸出阻抗小和輸出電壓隊頻率變化敏感的電路方式。對于開關(guān)應(yīng)力問題。電流諧振式其正弦波輸出電流的波形與負(fù)載成正比增大，因而半導(dǎo)體開關(guān)元件的功耗及其驅(qū)動功率會隨之增大。電壓諧振式在斷開

21、狀態(tài)時，開關(guān)上電壓波形的峰值會隨負(fù)載增大，所以開關(guān)要采用高耐壓第1章 緒論元件。對于這些問題，目前正研究采用輔助開關(guān)加以電流或電壓鉗位，以減輕應(yīng)力。諧振式變換器除開關(guān)元件的應(yīng)力問題外，同時還有一個加在構(gòu)成諧振式電路的電感和電容上的重負(fù)的問題。尤其重負(fù)載時，會給電感和電容以過壓而增大電流振幅，并因此增大高頻損耗。所以，為控制電感的發(fā)熱和實現(xiàn)最小化，要開發(fā)對高頻特性好，熱阻抗低以及能確保一定導(dǎo)磁率和矯頑力的材料。另外，再電容器方面也需要開發(fā)對高頻擁有充分電流容量和等效串聯(lián)電阻小的元件。諧振式變換器拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)的并聯(lián)諧振式變換器拓?fù)渖咸砑恿艘粋€附加電感后形成的新型變換器拓?fù)?，該變換器在一定條件下可以

22、實現(xiàn)輸出電流 與負(fù)載無關(guān)的特性。對變換器的品質(zhì)因數(shù)Q 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其可以在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出電流的恒定，并降低了恒流特性對開關(guān)頻率漂移的敏感性。選擇本課題是為了讓自己能更好的理解和掌握我們所學(xué)的知識，使自己所學(xué)的知識運用到實踐中去。研究本課題能使自己更好的了解到諧振式變換器的作用以及變換器給我們生活帶來極大的便利。通過對它的研究能使自己知識得到更好的應(yīng)用，并能夠提高自己的獨立思考和實踐的能力，為以后能在社會上立足奠定了良好的基礎(chǔ)。1.3 課題研究的目的和研究的內(nèi)容本課題所要研究的LCL 諧振變換器是一個可實現(xiàn)恒流源性能的諧振變換器，它具有傳統(tǒng)諧振變換器的優(yōu)點，同時該變換器可通過自身諧

23、振參數(shù)的合理設(shè)計，在一定工作條件下實現(xiàn)輸出電流與負(fù)載無關(guān)的特性，另外還可實現(xiàn)原邊開關(guān)管的ZVS ，具有較高的效率。一些文獻(xiàn)已驗證了LCL 變換器的恒流源特性，并提出了相應(yīng)的控制方式。本課題除了對最本的電路圖仿真和設(shè)計，對變換器的品質(zhì)因數(shù)Q 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使變換器可在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出電流的恒定，同時保證諧振電感，諧振電容和變壓器在一定范圍內(nèi)，符合變換器的體積和效率上的要求。除此之外，借此畢設(shè)機會提高自己獨立思考的能力，并使自己的學(xué)的專業(yè)知識能更好的得到應(yīng)用，通過這一學(xué)期的畢設(shè)使自己以后能更好的在社會上立足。本課題的研究目的就是對LCL 諧振式變換器進(jìn)行仿真研究分析，并設(shè)計出控制電路，使其

24、能更好的實現(xiàn)橫流輸出。因此本課題研究的內(nèi)容主要有以下幾方面：（1）通過查閱資料對LCL 諧振式變換器的工作過程及它作為恒流源工作時的原理分析與參數(shù)設(shè)計過程。（2）對LCL 諧振式變換器分段工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并進(jìn)行主電路開環(huán)仿真研究。（3）對品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行分析，通過對曲線的分析來選擇合理的Q 值。（4）進(jìn)行各部分工作后，最后合理地設(shè)計出LCL 諧振式變換器的控制電路。第2章 LCL 諧振式變換器主電路分析2.1 LCL 變換器的工作過程與工作原理2.1.1 LCL 變換器的系統(tǒng)框圖經(jīng)過查閱資料和對課題的初步研究，對所要研究的課題大體可以構(gòu)想出如下的系統(tǒng)框圖： 本系統(tǒng)框圖主要用來說明LCL 諧振

25、式變換器的最基本的實現(xiàn)大概意圖，是整體的一個框架，下面所畫電路圖就是根據(jù)此系統(tǒng)框圖畫出，是整個論文的一條主線。2.1.2 LCL 變換器的工作過程根據(jù)上述系統(tǒng)框圖可以畫出下面的主電路圖： 圖2-1 LCL諧振式變換器主電路圖1所示是LCL 諧振式變換器主電路圖，查閱資料可以知道當(dāng)電路工作在諧振頻率點時, 主電路才能實現(xiàn)橫流輸出, 具體的工作過程可以分成6個模態(tài)。具體如下：（1）10t t t <<。0t t =時, 開關(guān)管2Q 導(dǎo)通, 2C 兩端的電壓加在諧振回路的輸入端; 副邊整流二極管4D 和5D 處于通態(tài)。在2Q 導(dǎo)通時, 逆變器輸出端的電流已經(jīng)反向，由于電感k l 的作用，

26、變壓器上的電流方向還沒有改變，因此，整流橋還是由4D 和5D 工作。（2）21t t t <<。1t t =時，電感k l 上的電流下降到0并開始反向，副邊整流二極管4D 和5D 關(guān)斷，3D 和6D 導(dǎo)通，實現(xiàn)副邊的整流，且其中的電流按正弦規(guī)律上升至最大值，原邊開關(guān)管仍是2Q 處于通態(tài)，繼續(xù)由2C 兩端的電壓給諧振回路提供電壓。（3）32t t t <<。2t t =時刻，開關(guān)管2Q 關(guān)斷，2Q 的寄生電容開始充電，1Q 的寄生電容開始放電，1Q 兩端的電壓下降至0時內(nèi)部體二極管1D 導(dǎo)通，這時給的門極加上高電平，實現(xiàn)1Q 的零電壓開通，開始將1C 上的電壓加在諧振回路

27、的輸入端，逆變器輸出端的電流方向改變。副邊整流橋仍是3D 和6D 工作。（4）43t t t <<。3t t =時刻，開關(guān)管1Q 導(dǎo)通，副邊整流橋由于k l 的作用還是由3D 和6D 導(dǎo)通。k l 在這個環(huán)節(jié)主要是儲備能量，可以提供副邊電流，它雖起不到諧振的作用，但在各個環(huán)節(jié)起到了續(xù)流的作用，才能使整個電路實現(xiàn)橫流輸出。（5）54t t t <<。4t t =時刻，電感r l 上的電流在另一個方向上下降到0并開始反向，副邊整流二極管3D 和6D 關(guān)斷，整流橋由4D 和5D 工作，整流橋上的電流按正弦規(guī)律上升，并達(dá)到最大值，原邊開關(guān)管仍是1Q 工作。（6）65t t t

28、<<。5t t =時刻，開關(guān)管1Q 關(guān)斷，1Q 的寄生電容開始充電，2Q 的寄生電容開始放電，1Q 兩端的電壓下降至0時內(nèi)部體二極管2D 導(dǎo)通，此時2Q 給的門極加上高電平， 實現(xiàn)2Q 的零電壓開通，重新由2C 上的電壓供給諧振回路，逆變器輸出端電流反向并按正弦規(guī)律上升。整流橋由于電感k l 的的作用仍由4D 和5D 工作。當(dāng)主電路工作一個循環(huán)之后，變換器的工作重復(fù)上述6個過程。在實際工作中32t t 和65t t 為開關(guān)的死區(qū)時間，其實當(dāng)我們在實際電路設(shè)計時，要選擇合適的死區(qū)時間，死區(qū)時間過大，傳遞的能量減小，變換器的利用率不高；死區(qū)時間太小，開關(guān)管中的寄生電容沒有足夠的放電時間

29、，體二極管無法導(dǎo)通，不能實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，會增加開關(guān)損耗，降低變換器的效率；而且由于開關(guān)開通關(guān)斷時間的存在，死區(qū)時間太小容易造成上下管的直通現(xiàn)象。這樣在后期的仿真中要注意，否則輸出結(jié)果會有所不同。在整個工作過程中r l 和r C 產(chǎn)生了諧振，當(dāng)所加頻率工作在諧振點頻率時，電路就會輸出恒流，當(dāng)負(fù)載在一定的范圍變化時，輸出的電流在很小的范圍內(nèi)變化或沒有變化。這樣此電路才可以作為恒流源使用，要想使此電路能作為恒流源使用，就必須選取較好的參數(shù)，尤其是諧振電感和諧振電容，它們在整個電路中起到了舉足輕重的作用，在下面將介紹電路是怎樣實現(xiàn)恒流輸出的，主要用到數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。2.1.3 LCL 變換器的

30、工作原理及其數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)首先對電路進(jìn)行等效，把半橋逆變電路等效為一個交流源，把變壓器副邊的電阻等效原邊。如圖2： 其中半橋逆變輸出端方波電壓基波分量的峰值為peak U ，根據(jù)電力電子技術(shù)6半橋逆變公式可知，把幅值為d U 的矩形波0u 展開成傅立葉級數(shù)得： +=. 5sin 513sin 31sin 40wt wt wt U u d （2-1） 在此試驗中主要用到基波則可以得到基波分量的峰值peak U ，則我們可以得到其值為：UpeakRac圖2-2交流分析等效電路4*peak d U U = （2-2） 負(fù)載電阻等效到原邊后的等效電阻ac R 為：228l ac n R R = （2-3

31、）設(shè)in U 為輸入電壓幅值，則等效的方波幅值為：2in d U U = （2-4） n 為變壓器原邊匝數(shù)1N 與副邊匝數(shù)2N 的變比：21N N n = （2-5）由于變換器的諧振作用，所以定義變化器的謝振頻率0w 及開關(guān)頻率w 的歸一化值n w ，以及等效電路的特征阻抗分別為： 0w = （2-6） 0n ww w = （2-7）n Z = （2-8） 特征阻抗是指信號在傳輸過程中總是看到完全一致的瞬間阻抗，由于在整個傳輸線上阻抗維持恒定不變我們給出了一個特定的名稱來表示特定的傳輸線的這種特征。特征阻抗是一個新知道的量，在此只是做一些簡單的講解。電路的品質(zhì)因數(shù)Q 重要的參數(shù)之一，它在主電路

32、的設(shè)計中起到了很重要作用。在主電路工作時最后能實現(xiàn)恒流源輸出，諧振在此過程中起到了很大的作用，則諧振電感比和品質(zhì)因數(shù)的值：lr l r R C w n R n L w Q 02201= （2-9） k r N L L = （2-10）由電力電子技術(shù)，根據(jù)全波整流可得到：, , , 22*22*8/4*o peak o peak out o peak l lU U I I n n n R n R = （2-11） 很容易可知到輸出電壓的公式為：*out out l U I R = （2-12）根據(jù)圖2分析以及上面所列公式的關(guān)系，我們可以得到LCL 諧振式變換器的電壓增益M 的表達(dá)式:222222

33、22223818( /1*8812/( 2(1 (1 8l l k out r l l in k k k r nn n n R n R jwL U jwC M n R n R U n jwL jwL jwL jwC n w j Q N w Nw +=+=-+-由于我們所研究的課題是恒流源輸出，所以我們應(yīng)該推導(dǎo)出電流增益，則可以按照推導(dǎo)電壓增益一樣，可以得到我們所要的電流增益，那么電流增益H 的表達(dá)式為：2/2/2out out l d n in nI U R H n MQ Z Z = （2-14） 則把電壓增益帶入到電流增益中，可以得到電流增益與歸一化頻率的關(guān)系表達(dá)式為：2231(1 (1 8

34、n n n n H w j N w Nw Q =-+- （2-15）在上式我們就可以得到主電路是怎樣實現(xiàn)橫流源輸出的，我們從中可以（2-13）知道式中只有參數(shù)Q 與負(fù)載l R 有關(guān)，因此只要把式中的參數(shù)Q 想法去掉，就可以得到我們想要的得到的結(jié)果，在式中，只有當(dāng)n w 的值為1時，參數(shù)Q 就可以去掉，那么電流輸出就與負(fù)載l R 無關(guān)，則可得：28n H = （2-16） 可見，LCL 諧振式變換器只有在n w 的值為1時，才能實現(xiàn)橫流源輸出，也就是開關(guān)頻率和諧振頻率相等時，變換器工作在諧振頻率點時可實現(xiàn)輸出電流與負(fù)載無關(guān)的性能。LCL 諧振式變換器除了可以實現(xiàn)橫流輸出，還可以實現(xiàn)零電壓開通，那

35、么下面推導(dǎo)一下變換器是怎樣實現(xiàn)零電壓開通的。由圖2可得到等效模型的輸入阻抗' n Z ，從輸入端看去，就可以得到所要求的，那么可以得到： (r l k r k l r n jwC R n jwL jwC jwL R n jwL Z 882222' + +=(2232220811818n n n n n r jw Nw Q Nw w N Q j w L w +-+-= （2-17） 根據(jù)電力電子技術(shù)我們可以得知，當(dāng)我們設(shè)fund u 初始相角為0時，也就是說逆變器輸出端電壓相角v 的值為00，那么也就是說LCL 諧振式逆變器輸出端電流即為電感r L 上的電流，那么可得到此電流為：

36、(3222220' 1818182n n n n n r in n fund l Nw w N Q j w jw Nw Q L w U Z U I -+-+-*= （2-18） 通過電流的式子，我們可以得到逆變器輸出端電流相角，則輸出端相角為： (23222118tan 18tan n n n n n i w Nw w N Q act Nw Q w act -+-= （2-19）如果要讓主電路工作在諧振點時，也就是讓電路實現(xiàn)恒流輸出，也就是說n w 的值為1時，電路的歸一化頻率為1時，這時可以得到逆變器輸出端電壓電流的相位差公式為：(20210901N Q N Q u i -=-=-=

37、 （2-20） 在上式中可以知道，要想使主電路實現(xiàn)零電壓開通，那么逆變器輸出端的電壓應(yīng)該超前于輸出端的電流的相位，也就是說當(dāng)N 取小于1的值，電路才能實現(xiàn)零電壓開通，其實當(dāng)作為恒流源使用時，一般取N 略小于1既可以實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。以上所進(jìn)行的數(shù)學(xué)推導(dǎo)就是關(guān)于LCL 諧振式變換器怎樣實現(xiàn)橫流輸出和實現(xiàn)零電壓開通的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式。2.2 作為恒流源使用時的參數(shù)設(shè)計過程2.2.1 參數(shù)設(shè)計公式的推導(dǎo)作為恒流源使用時，也就是變換器的等效電流增益28n H =時，換句話說就是，當(dāng)電路的頻率歸一化值為1時，那么可以得到如下各元的參數(shù)為： 在上一節(jié)數(shù)學(xué)推導(dǎo)中可以得知電路的品質(zhì)因數(shù)為：022r n l

38、lw L Z Q n R n R = （2-21） 在計算中往往Q 是自己所取得，在下一章將要介紹到它的取值是怎樣給電路帶來影響的。一般它的取值是較大一點對電路比較好一點。在設(shè)計時，一般要求中都會把最終輸出電流給出來，這樣我們就需要推導(dǎo)出關(guān)于輸出電流于哪些未知量有關(guān)，由上面的公式的關(guān)系可以得到輸出電流的公式：24out in L LU U I R n QR = （2-22） 在設(shè)計時，會讓我們求出諧振電路的電感和電容，除此之外，我們還要求出變壓器的變比是多少，這是設(shè)計時所必須要求出的未知量，那么在上式中我們可以得到變壓器變比為：24( in out l n U QI R = （2-23）要求諧

39、振電感和電容，則需要知道諧振頻率，諧振頻率可以很容易知道而除此還需要知道另一個關(guān)系式才能解方程組得到所求的未知量，在以上所有式子中可以發(fā)現(xiàn)特征阻抗是關(guān)于諧振電感和電容的式子，那么我們可以利用這兩個式子列方程組，解出所求值。那么諧振頻率為：f = （2-24） 特征阻抗為：2n l Z QR n = （2-25） 聯(lián)立兩式可以得到：諧振電感r L 的值為：212r l L QR n f = （2-26）諧振電容r C 的值為：212r lC fQn R = （2-27） 至于電感k L 的值根據(jù)設(shè)計的要求，也就是零電壓開通的要求，只要取略小于r L 的值即可，再根據(jù)電感和變壓器的設(shè)計方法確定具體

40、的磁芯和匝數(shù)等一些要求。以上便是主電路的參數(shù)設(shè)計的所有公式，下面將進(jìn)行參數(shù)計算。2.2.2 參數(shù)計算設(shè)計LCL 諧振式恒流源變換器，具體參數(shù)要求如下：輸入電壓：V U U d in 1002=；輸出額定負(fù)載：=5l R （負(fù)載可以在0-5之間變化）；輸出電流：A=4out I ；開關(guān)頻率：z k f H=100；品質(zhì)因數(shù)：2=Q ；根據(jù)上面所推導(dǎo)的式子，我們可以逐個代入數(shù)據(jù)可得到所求未知量：24( 4in out l n U QI R = (2-282321116*12722*100*10*525r l C nF fQn R = (2-29 232111625*5*20.722*100*101

41、6r l L QR n f =H (2-30 至于電感k L 可根據(jù)零電壓開通來取值，一般只要取N 略小于1的值，所以在此可以取H=20k L 。經(jīng)過上面的一系列研究我們可以設(shè)計出了所要求的主電路圖。下面我們將要進(jìn)行主電路的仿真研究，頻率所加為理想的頻率。2.3 主電路的工作過程仿真研究主電路仿真因為要加上理想的開關(guān)頻率，并且開關(guān)頻率要有死區(qū)時間，那么我選擇了PISM 仿真軟件，由于在第二章的開頭已經(jīng)畫了一個主電路圖，所以在此就直接把仿真圖拷過來，可以做到不重復(fù)。在主電路圖上，還有兩個分壓電容和一個濾波電容沒有數(shù)值，在由于分壓電容主要起到了分壓作用，可以取較大一點的數(shù)值，在此取到了300mf

42、，濾波電容在逐個實驗中取到了一個濾波效果較好的電容，在此取到了10mf ，這樣所需要進(jìn)行設(shè)計的參數(shù)都已經(jīng)得到，只要進(jìn)行相應(yīng)的軟件仿真則可以完成理論與實驗的結(jié)合，將更好的理解主電路是怎樣實現(xiàn)恒流輸出的，也更好的把握下一章節(jié)進(jìn)行品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)化設(shè)計時所要理解的一些情況。下面將是仿真研究。仿真的主電路圖如下： 由于此LCL 諧振式變換器主要實現(xiàn)恒流輸出，也就是輸出電流與負(fù)載變化無關(guān)，我們先將進(jìn)行工作過程的仿真研究，在負(fù)載變化允許的范圍內(nèi)，我將選取三組不同的負(fù)載進(jìn)行研究。最后將取負(fù)載分別為1.25、3和5，給出最后輸出電流的波形進(jìn)行比較，下面是仿真圖形。工作過程研究，將取一個負(fù)載值，當(dāng)負(fù)載為5時的波形，

43、下面將分別給出逆變器輸出端的電壓和電流（也就是電感r L ）的波形波形如下： 圖2-4逆變器輸出端電壓和電流波形圖2-3 仿真主電路圖V p 2/VI /A利用仿真軟件仿出的波形可知，主電路電壓超前于電流實現(xiàn)了零電壓的開關(guān)，可見與數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)是相聯(lián)系的。在圖中可以看到半橋逆變的輸出端電壓為正負(fù)50V ，與理論值相同。在圖5中還可以看出，電容兩端的電壓成正弦波形狀依此進(jìn)行充電和放電，諧振電容與諧振電感發(fā)生諧振，電感則會出現(xiàn)正弦波形， 它的作用是當(dāng) V p 3/V圖2-5電容r C 的電壓波形和電感k L 電流波形 T/ms I /A T/ms圖2-6變壓器副邊的電壓和電流波形I /A V p

44、4/V半橋逆變輸出端的電流改變方向時，它所連接的變壓器上的電流不會發(fā)生突變，而是逐漸減小，再變成和半橋逆變輸出端電流方向一致，它的緩沖使得整流電路中的二極管依然在導(dǎo)通，即使半橋逆變輸出端電流改變時，只有電感上的電流逐漸將為0時，二極管才會關(guān)閉，另兩個二極管才能導(dǎo)通。圖6中，可以看出，變壓器之間的電壓呈現(xiàn)方波形，電壓在正負(fù)10V 變化，副邊電流是正弦波，在經(jīng)過整流，就會輸出恒定的電流。以上波形便是LCL 諧振式變換器工作過程的波形，我們仔細(xì)研究時就會發(fā)現(xiàn)它的波形十分符合在2.1.2中所寫的工作過程，在此不在進(jìn)行贅述，下面我們將選擇不同的負(fù)載進(jìn)行仿真，驗證LCL 諧振式變換器能否實現(xiàn)在一定負(fù)載變化

45、范圍內(nèi)實現(xiàn)恒流輸出。課題中所說恒流是指主電路工作在諧振點時，就是工作在理想100Khz 時，輸出端電流的大小，在一定的負(fù)載變化時，會有很小的變化，但并不是不變，也就是說恒流特性是指在很小的范圍內(nèi)變化，但是但我們改變頻率時，電流會相應(yīng)的做出調(diào)整，也就是說，頻率的微調(diào)會更好的調(diào)節(jié)恒流的輸出，要想得到精確的恒流，就必須進(jìn)行頻率的微調(diào)。負(fù)載的變化在一定程度上使得電流發(fā)生了變化，雖然在下面的仿真中并沒有看出有多少變化，但當(dāng)把圖形放大時，我們會發(fā)現(xiàn)，主電路輸出的電流時有小的變化，這也是第四章控制電路要設(shè)計的理念。圖2-7主電路輸出端電流波形T/sI /A當(dāng)負(fù)載為=3l R 時，輸出波形如下： 當(dāng)負(fù)載=25

46、. 1l R 時，輸出波形如下： 負(fù)載為5時的波形在工作過程中已經(jīng)給出了，在三種情況下我們可以看出LCL 諧振式變換器確實能實現(xiàn)較好恒流輸出，但就是負(fù)載不同時，達(dá)到穩(wěn)定的時間有所不同。雖然LCL 諧振式變換器確實有較好的恒流效果，但這是要求負(fù)載在一圖2-8主電路輸出端電流波形 T/sI /A圖2-9主電路輸出端電流波形 T/sI /A定范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載變化時，電路還是工作在諧振點頻率下時，電流就會有變化，需要進(jìn)行頻率的微調(diào)，這樣才能使電路實現(xiàn)恒流輸出，負(fù)載范圍的大小主要取決于品質(zhì)因數(shù)的選取，在實際中電路不可能加上理想的開關(guān)頻率，當(dāng)頻率變化時就直接影響到輸出電流的恒定，因此品質(zhì)因數(shù)的選擇可以說至關(guān)

47、重要，在下一章將簡要介紹一下品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)化。2.4 本章小結(jié)在這一章分別對主電路的工作過程進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，驗證了主電路是怎樣實現(xiàn)恒流輸出的，在后來用PISM 仿真軟件對主電路的工作過程進(jìn)行了仿真，更好的理解了主電路實現(xiàn)恒流輸出的過程。第3章 變換器品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)化設(shè)計3.1 品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)化分析在上一章我們已經(jīng)經(jīng)過仿真了解到LCL 諧振式變換器具有較好的恒流作用，但是要使其能在更大的負(fù)載范圍內(nèi)并且品質(zhì)因數(shù)的選擇還會影響到電感和電容的體積和變換器的效率，下面將逐個進(jìn)行分析，由于品質(zhì)因數(shù)的分析需要進(jìn)行對比才能選擇出較好的，我將用到MathCad 數(shù)學(xué)公式仿真軟件進(jìn)行比較。

48、從上述原理的分析中可看到，變換器工作在諧振頻率點時可實現(xiàn)輸出電流與負(fù)載無關(guān)的特性。但由于實際電路中，諧振元件的參數(shù)具有分散性，難以精確地確定諧振頻率；另一方面，控制電路有一定的精度限制，不能精確地控制在諧振頻率點，所以實際工作中電路的工作頻率必然會偏離諧振頻率點，為此，需要選擇合適的參數(shù)，使變換器在一定的頻率偏移范圍內(nèi)保持較好的恒流特性。3.1.1 品質(zhì)因數(shù)對恒流性能的作用關(guān)于MathCad 仿真軟件是進(jìn)行數(shù)學(xué)公式變量的仿真，這就需要把要進(jìn)行比較的兩個變量的關(guān)系式子寫出來進(jìn)行仿真。在第2章的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中我們已經(jīng)推出了一些公式。在進(jìn)行仿真時必須只存在那兩個要進(jìn)行比較的量，我們要研究的是品質(zhì)因數(shù)的不

49、同會給電路帶來什么影響，從而學(xué)會怎樣選擇品質(zhì)因數(shù)，這次主要是進(jìn)行研究，在此為了更好仿真，我們把n 選為1，品質(zhì)因數(shù)Q 我們選擇其他資料上經(jīng)常選擇的如：28、2、2、2。我將在同一坐標(biāo)下進(jìn)行仿真，這樣更能清楚地看出當(dāng)品質(zhì)因數(shù)不同時，對LCL 諧振式變換器的輸出電流的的影響，以及對電感和電容的體積及其效率的影響，經(jīng)過一系列的仿真對比，我們將可以分析當(dāng)品質(zhì)因數(shù)選取多少時，對變換器的負(fù)面的影響最小，這樣我們在以后的設(shè)計中就可以清楚地選擇多大的品質(zhì)因數(shù)。首先我將先研究品質(zhì)因數(shù)不同時，變換器的電流增益曲線。先把關(guān)于它們的關(guān)系式列出，如下：2231(1(1 8n n n nH w j N w Nw Q =-+- （3-1）利用軟件進(jìn)行仿真則可以得到如下圖形：圖10為變換器的電流增益曲線，從圖中可看到，Q 值越小則電流增益曲線的頂點在頻率越小處出現(xiàn)。那么當(dāng)頻率漂移時變換器的向上調(diào)節(jié)電流增益的性能就會變差，為保證頻率漂移后變換器可經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)就實現(xiàn)輸出電流的恒流，在設(shè)計時應(yīng)取大的Q 值。另一方面，在一個已經(jīng)漂移的工作頻率下，Q 值大的區(qū)域曲線之間電流