宽范围LLC变换器的拓扑与控制技术研究

发布时间：2020-08-04 19:43

【摘要】：谐振变换器因其效率高、体积小、功率密度高、控制与结构较为简单、电磁兼容特性好等优点,在航空电源、直流微网、电动汽车充电等领域,得到广泛应用。同时,更宽广的应用领域也对谐振变换器的输入、输出电压电流范围等指标提出了更高的要求,包括能够适应较宽的输入电压范围,拥有较宽的输出电压范围,或是在大电流场合下仍旧能够保持其效率与体积等优势。传统的谐振变换器结构与控制方法在满足这些要求时,会使得变换器的性能会受到一定影响。因此,针对以上问题,本文以LLC谐振变换器为研究对象,在保持体积、效率和软开关等性能优势的基础上,围绕其在宽范围电压电流要求下,电路的结构以及控制策略优化展开了深入研究。在宽电压范围输入的应用场合下,当输入电压较高,常采用三电平开关阵列与LLC谐振腔连接的方式。三电平变换器因器件参数差异,常需加入飞跨电容和钳位二极管,以辅助实现电路的电压平衡。但这两种箝位电路用于三电平LLC变换器时,其工作机理与用在其它变换器中有所不同。因为LLC变换器一般使用脉冲频率调制方式,以及存在谐振腔电流均值为零的特点,当仅使用飞跨电容或箝位二极管时,变换器较难实现电路电压平衡。本文首先讨论了单独使用箝位二极管或飞跨电容时,变换器的电压平衡特性。之后,详细分析了加入两种电路混合箝位时,电路的工作过程,得出这种情况下电路的自平衡机理,以及两种箝位电路在其中所起的作用。最后,计算了流过两种箝位电路的电压电流,对其器件选型提供了理论指导依据。在要求宽输出电压范围的应用场合下,LLC谐振变换器本身输出电压范围受最大工作频率限制,因此本文对LLC的控制策略进行优化,在传统的仅采用PFM(脉冲频率调制)控制的基础上,提出了一种加入移相调制(PSM)或脉冲宽度调制(PWM)与突发控制(burst)混合的控制方式,以提高系统在低压轻载输出下的稳定性及效率。PSM与PWM两种调制方式能够降低burst控制下burst开通时间内的谐振腔电流峰值,而burst控制能够提供足够的谐振腔电流,使所有开关管在采用PSM与PWM调制时有较好的软开关特性。之后,根据状态空间轨迹法分析了在一定电流应力约束条件下的谐振腔参数优化方式,以及在不同输出电压情况下为保证所有开关管实现零电压开通(ZVS)所能够使用的最大移相角与占空比。针对要求宽电压输出范围,且稳态时变换器需工作在高频连续工作状态的应用场合,全桥LLC变换器可通过改变驱动信号使得变换器在全桥工作拓扑模式以及半桥工作拓扑模式之间切换的方式,使得变换器在所能达到的输出电压范围内均处于高频工作状态。然而,驱动信号模式的直接切换的暂态过程会影响变换器工作稳定性,因此本文提出一种优化的驱动信号工作模式切换策略,仅在切换过程中采用burst控制,并使每个burst开通时段内开关管仅导通一个开关周期,这样使得在模式切换过程中,变换器的稳定性能够得到保证。在大电流应用场合下,LLC变换器由于谐振腔电流以及变压器副边电流均为近似正弦形式,会因此产生较大的传导损耗。同时,输出侧需要较大的滤波电容滤除交流分量。因此这种情况下,变换器系统常采用多个LLC模块并联的形式以降低损耗,同时采用模块间交错并联的控制方式以提高输出电流纹波频率,降低电流纹波幅值。实际系统中会因谐振腔硬件参数存在差异,导致并联系统出现电流不均衡的现象。本文针对三模块半桥型LLC变换器,首先分析了直接并联时各个模块的电流分配特性与偏差值和工作条件的关系。之后分析了三相半桥型LLC变化器在其谐振腔中点(公共点)悬浮的情况下的电流分配特性,并与中点和输入电源地相连的结构进行了比较。最后提出一种基于模块间移相的模块间驱动信号相位控制策略,使得变换器能够实现三个模块间的电流均衡。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：

高频开关电源,应用领域

力电子技术的飞速发展，在中大功率直流领域，如在航空电源、、电动汽车充电和照明电源等应用中，变换器效率以及功率密[1-6]，因此相关的直流变换器出现了以小型化、高效率、低纹波magnetic Interference,EMI)、好的动态性能和高可靠性为特征的换器的开关损耗，提高工作效率，人们提出了开关管实现高频应的一系列变换器结构。这种技术使得功率器件在进行开关动过器件的电流能够接近于零，变换器的开关损耗因而大幅下降率，同时也降低了系统所需磁性元件的容量与体积。在上世纪术的谐振型变换器开始被人们广泛接受并应用[7-12]。这些变换即可工作在高频软开关模式下，在降低开关损耗提高功率密度。列谐振变换器结构中，LLC 谐振变换器能够在全电压范围内，压开通(ZVS)和副边整流管的零电流关断(ZCS)，同时保持无功被越来越广泛得应用在各种领域。

自均衡,变换器,电容型,电压

平 LLC 变换器仅加入了飞跨如图 1-3 所示。图 1-3(a)中展结构，所示结构母线上无分裂非 50%。飞跨电容实际可等效飞跨电容两端电压，一般所选三电平 LLC 变换器结构，从输入电压仅为±Udc/4，与图 1个。因此，在输出功率相同的较高，较适合于输入高压输出RLCoCmAUdc

三电平,变换器,文献,电容型

因此，在输出功率相同的条件下，力较高，较适合于输入高压输出功率较小RLCoLmT2T3T1T4CmAUdc跨电容型 LLC 变换器 (b) 文献[38]中改进的图 1-3 飞跨电容型电压自均衡 LLC 变换器一种双半桥耦合式的三电平 LLC 结构，如即可实现输入电压的均衡，但其谐振腔b)所示电路相似，同样适合于高压输入、小

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