基于SiC器件的多相交错并联LLC谐振变换器的设计与研究

发布时间：2020-10-20 20:39

　　 LLC谐振变换器能实现全负载范围内开关管的零电压开通(ZVS,Zero Voltage Switching)和大部分情况下副边整流二极管的零电流关断,相比其他开关电源,其输入输出电压调节范围较宽,且具有高效率、低噪声、高功率密度等诸多优点。与传统Si基功率器件相比,SiC功率器件具有更加优良的特性,更加适用于高频高压大功率场合。本文针对单相LLC谐振变换器在大电流大功率输出应用时的不足,采用三相交错并联的LLC谐振变换器拓扑并将其与SiC功率器件相结合,解决了单相拓扑中输出电流纹波大、功率密度提升困难的问题。本文的主要内容包括:(1)分析比较了多种单相与多相LLC谐振变换器拓扑的性能,得出三相交错并联结构的拓扑比较适合大电流大功率输出的应用场合。根据谐振网络输入电压的关系,将三相交错拓扑简化为单相全桥拓扑分析。应用基频分量法对全桥LLC拓扑进行稳态建模,在此基础上推导出谐振变换器的增益表达式。(2)根据谐振网络输入阻抗的特征,划分了工作区域,详细分析了全桥和三相交错谐振变换器在不同工作区域时的工作过程。分析了谐振参数对电路性能的影响和电路实现ZVS软开关的约束条件,给出了LLC谐振变换器参数设计的整个过程。(3)分析了变频调压的原理,给出了闭环控制的框图,给出了闭环控制调节输出电压的仿真波形和不同输出电压时的开关管电压、副边二极管电流等波形,验证了不同输出电压所在区域的变换器工作特点。比较了本文选用的拓扑与三相Y型连接接地拓扑在不平衡下的表现,分析了三相交错并联拓扑在三相不均衡时的控制策略并给出了对应的仿真波形。(4)根据变换器设计指标,完成了主电路的参数设计和器件选型。设计了控制电路,给出了控制系统的框图。针对SiC MOSFET应用时常见的误导通及串扰等问题,设计了可靠的驱动电路。对变换器的损耗进行了分析,计算了电路各部分的功耗,并给出了损耗的分布图。测试了SiC MOSFET的驱动电路,验证了驱动电路设计的合理性。对三相谐振变换器在不同工作区域的工作波形进行了分析,验证了理论分析与仿真的正确性。测试了变换器在不同工作区域、不同负载情况下的效率,验证了损耗分析的正确性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM46
【部分图文】：

的应用越来越多，ＳｉＣ功率器件在电力电子变压器、高压直流输电和柔性输电等应??用场合有很大的应用潜力。??电力电子变压器（Ｐｏｗｅｒ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ?Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，?ＰＥＴ）的拓扑结构如图１－１所??示，其用高频变压器和电力电子变换器代替了传统工频变压器，经过交－直－交两次??变换，来实现高低压变换和电能控制，提高功率密度的同时，还兼具频率变换、??无功补偿和自动限流等诸多功能［１８］。然而，输电网高压侧的电压等级很高，单级??拓扑时使用Ｓｉ功率器件耐压很难满足要求，目前ＰＥＴ主要通过多个Ｓｉ功率器件??串联或者Ｈ桥电路拓扑串联等方式来满足耐压要求，结构很复杂且控制难度较大。??５??

者陆续对其工作原理、参数设计、拓扑变形、控制电路设计等做了大量分析和研??究。??如图１－２所示为半桥不对称ＬＬＣ谐振变换器的电路拓扑，该电路所用器件少，??且能够通过良好设计实现全负载范围内原边ＭＯＳ管的ＺＶＳ开通。当系统开关频??率低于谐振频率时，还可实现副边整流管的零电流关断，因此非常适合于高效率、??高功率密度模块化电源［２？６］。??＇＾３?，?ｄ??Ｕｉｎ?—ｒ??齡?１??Ｈ??１?ｙ?＋????Ｃ＇｜————Ｉ?Ｉ￣￣Ｓ—??图１－２半桥ＬＬＣ谐振变换器拓扑??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ?ＬＬＣ?ｒｅｓｏｎａｎｔ?ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ??该基本半桥电路也有一些明显的缺点，首先半桥电路的输出电流为馒头波，??输出电压纹波较大，所以通常很难满足电源模块的低纹波要求，通常需要增加二??阶滤波电路来滤掉高频纹波，增加了体积，同时动态响应速度变慢。此外，在宽??输入或宽输出电压场合，变换器工作的频率变化范围较宽，参数设计很难优化，??同时增加了无功环流，副边二极管可能会失去ＺＶＳ的工作条件，降低了变换器的??效率。因此

Ｆｉｇ．?１－３?Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ?ｄｏｕｂｌｅ?ＬＬＣ?ｒｅｓｏｎａｎｔ?ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ??在中大功率场合，可结合全桥结构和ＬＬＣ拓扑两者的优良特性，提高变换效??率，同时也能减小输入电流脉动，其拓扑如图１－４所示。??５１?Ｄ，Ｃ，?Ｓ３Ｄ，Ｃ３??？?＃?Ｄ５??ｂ？＿ｒｉ＿Ｌ＿ｒ??５２?Ｄ：Ｃ２?Ｓ４?Ｄ４Ｃ４??图１－４全桥ＬＬＣ谐振变换器拓扑??Ｆｉｇ．?１－４?Ｆｕｌｌ?ｂｒｉｄｇｅ?ＬＬＣ?ｒｅｓｏｎａｎｔ?ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??针对高输入电压的场合，为了降低开关管的电压应力，有文献提出一种基于??谐振开关电容技术的自动均压ＬＬＣ谐振变流器［２Ｗ９］，如图１－５所示。??＾ｊ＾Ｔｔ??￣／＊ｖｗｎ?，??、?Ｌｓ＆?Ｌｙｅ??ｕ４??—?Ｑ３３４???１?ｓ６?°２???５４Ｊ＾Ｔｔ??图１－５自动均压ＬＬＣ谐振变流器??Ｆｉｇ．?１－５?Ａｕｔｏｍａｔｉｃ?Ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｈａｒｉｎｇ?ＬＬＣ?Ｒｅｓｏｎａｎｔ?Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ??８??
【参考文献】

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本文编号：2849133