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LLC谐振变换器的研究

谢华林  
【摘要】: 高频化、高功率密度和高效率,是DC/DC变换器的发展趋势。传统的硬开关变换器限制了开关频率和功率密度的提高。移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器可以实现主开关管的ZVS,但滞后桥臂实现ZVS的负载范围较小;整流二极管存在反向恢复问题,不利于效率的提高;输入电压较高时,变换器效率较低,不适合输入电压高和有掉电维持时间限制的高性能开关电源。 LLC串联谐振DC/DC变换器可以较好的解决移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器存在的缺点。从实现上来说,谐振变换器相对PWM变换器,具有开关工作频率高、开关损耗小、允许输入电压范围宽、效率高、重量轻、体积小、EMI噪声小、开关应力小等优点。LLC谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的ZVS,次级二极管易实现ZCS,谐振电感和变压器易实现磁性元件的集成,以及输入电压范围宽等优点,得到了广泛的关注。 LLC谐振变换器是在传统LC二阶谐振变换器的基础上增加一个并联电感改进而来的,相对于普通串、并联谐振变换器在特性上有明显的改善,同时LLC的设计也存在以下几个难点:(1)控制方法复杂;(2)参数配置困难;(3)用于大功率变换时,槽路电流过大,磁性元件易发生磁偏饱和,电压模式不能满足控制要求,而电流模式的单周期控制模式如何实现变频是难点。 本文按以下几个部分展开: 1.将谐振变换器与传统PWM变换器进行了对比,对其基本分类和工作过程进行了归纳,总结出LLC谐振变换器的主要优点; 2.分析了LLC谐振变换器在各个开关频率范围的工作原理以及具体的工作波形; 3.利用基频分量近似法建立变换器的大信号模型,通过对模型的分析,得出能保证MOSFET实现ZVS的LLC参数设计方法; 4.采用扩展描述函数法建立了LLC谐振变换器的小信号模型,在小信号模型的基础上分析了变换器在开关频率变化时的小信号特性; 5.比较电压模式控制法以及电流模式控制法在LLC拓扑中的应用以及各自的特点,着重提出电流模式单周期控制的变频电路; 6.使用仿真证明理论分析的正确性,通过实验验证电流模式控制在大功率LLC变换器中应用的可行性。


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