LLC谐振变换器的时域分析模型及其限流控制策略

发布时间：2017-11-01 12:33

  本文关键词：LLC谐振变换器的时域分析模型及其限流控制策略

  更多相关文章： LLC谐振变换器 限流控制 大信号建模 状态平面分析 无电流采样 谐振电流

【摘要】：高效率高功率密度DC-DC变换器是电动汽车充电机、光伏系统直流变换器、数据中心直流供电系统等电能变换装置中的重要组成部分。LLC谐振变换拓扑可实现在高开关频率下全负载范围内原边开关管的零电压开通、副边整流管的零电流关断,因而是隔离型DC-DC变换器的理想拓扑。但LLC电路的多谐振和非线性特性,增加了电路精确建模和特性分析的难度,也给电路的运行控制和性能优化带来不小的挑战。在电路启动和突加负载的冲击负荷工况、输出过载和短路工况下,LLC电路均存在原边谐振回路电流过冲的问题,可能导致开关器件损坏或误触发原边过流保护。常用的开环调频或调占空比限流策略,谐振电流波形控制效果较差,在过载工况下输出电压和谐振电流波动较大,且缺乏简便的限流参数设计方法。闭环限流策略可以实现灵活的限流特性,但需要增加谐振电流或输出电流采样,成本较高。本文主要针对LLC电路的动态过程的建模分析、开环和闭环限流控制技术进行研究。首先,文章分析了LLC电路的基本工作模态和不同开关频率、负载条件下的工作模式,并推导了不同工作模态的状态方程描述和不同工作模式的状态平面轨迹特性。基于状态平面分析方法,文章提出了电路动态过程中的工作模态过渡判据,并求解了不同工作模式下的各个模态持续时间,推导了半个开关周期内的输出电压增量和谐振电流峰值等状态量表达式,最终利用模态的迭代运算建立了LLC电路的时域分析模型。该时域模型相比于电路仿真可节省大量时间,同时又能保证足够的计算精度,可用于分析LLC电路软启动、突加负载等工况下的关键电路状态量的动态变化过程。针对LLC电路开环限流方法中的起始频率和调频时间常数的优化设计的问题,文章分析了电路启动时刻的谐振电流过冲值和收敛值与起始开关频率的关系,配合初始驱动脉冲宽度优化方法,使得启动时刻的谐振电流快速无过冲地进入收敛状态,降低了起始开关频率的要求。对于谐振电流限流值设置较低的情况,采用分裂谐振电容结构的LLC电路拓扑,减少了初始过渡脉冲个数和脉宽的设计难度。基于LLC电路的时域分析模型,文章计算出了开环限流软启动过程中的谐振电流最大值,结合迭代优化算法,获得了最优的调频时间常数参数,可满足谐振电流限流值要求,同时保证输出电压响应尽可能快。针对LLC电路闭环限流方法需要额外的电流采样的问题,文章分析了考虑励磁电流影响下的谐振电流峰值、输出电压和开关频率三者之间的关系式,进而提出了基于输出电压实时限制开关频率的无电流采样的闭环限流控制策略,使得在软启动、突加负载过程以及过载工况下的谐振电流峰值均被控制在恒定限流值处,实现了最优的谐振电流应力控制。文章给出了限流参数的设计原则,并分析了过载限流工况下的输出电压的上限值和限流启动过程的输出电压的建立时间。
【关键词】：LLC谐振变换器 限流控制 大信号建模 状态平面分析 无电流采样 谐振电流
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 选题背景和研究意义11
• 1.2 LLC电路分析模型研究现状及存在的问题11-13
• 1.3 LLC电路限流技术研究现状及存在的问题13-16
• 1.4 本文研究内容16-18
• 2 基于模态迭代的LLC电路时域模型18-33
• 2.1 LLC电路的工作模式分析18-21
• 2.2 LLC电路的状态轨迹分析21-24
• 2.3 LLC电路的时域分析模型24-31
• 2.4 仿真与实验结果31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 3 基于时域模型的LLC电路开环限流参数优化33-51
• 3.1 引言33-34
• 3.2 调频限流软启动方法的起始工作频率优化34-42
• 3.3 调频限流软启动方法的频率时间常数优化42-46
• 3.4 实验结果及分析46-50
• 3.5 本章小结50-51
• 4 无电流采样的LLC电路闭环限流控制策略51-67
• 4.1 引言51
• 4.2 谐振电流最大值与输出电压及开关频率关系51-55
• 4.3 谐振电流恒流限流控制策略55-64
• 4.4 实验结果及分析64-66
• 4.5 本章小结66-67
• 5 全文总结和展望67-69
• 5.1 全文总结67-68
• 5.2 未来研究展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-76
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录76

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本文编号：1126889