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1、-全桥 LLC 谐振电源的设计与研究 理论部分_毕业设计论文-第 36 页毕 业 设 计（论 文）题目：全桥LLC谐振电源的设计与研究理论部分本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目： 全桥LLC谐振电源的设计与调试-理论部分 、毕业设计（论文）工作内容（从专业知识的综合运用、论文框架的设计、文献资料的收集和应用、观点创新等方面详细说明）： 随着软开关技术和并联均流的发展，高性能的大功率高频开关电源的研究与开发已成为电力电子领域的重要研究方向，高频化,高效率，高功率密度和低损耗，低EMI噪声是DC/DC变换器的发展趋势，全桥LLC谐振变换器能够实现全负载范围下原边开关管ZVS，副边整流
2、管ZCS,有效解决了移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器存在的问题，使得LLC谐振拓扑结构成为电力电子技术领域研究的热点。 本课题以全桥LLC谐振变换器为研究内容，并与移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器进行比较，总结二者优缺点，接着对变换器工作原理进行详细研究，建立数学模型，运用MATLAB仿真证明理论分析的正确性。最后，搭建220V-40A全桥LLC谐振变换器实验平台，验证理论分析的正确性和设计方法的合理性。具体工作的步骤、内容、要求安排如下： 1. 绪论，介绍研究的背景。2. 以全桥LLC谐振变换器为研究内容，并与移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器进行比较总结二者优缺点。3
3、. 对变换器工作原理进行详细研究，建立数学模型，运用MATLAB仿真证明理论 分析的正确性。4.总结论文。、进度安排：第1周第2周（2周）：根据毕业设计任务和要求，收集、查阅和研究学习相关的信息和资料：确定相应的技术方案和实施过程及规划； 第3周第5周（3周）：撰写论文初稿，查阅相关资料进行修改； 第6周第9周（4周）：设计电路图，调试硬件； 第10周第12周（3周）：完成MATLAB软件设计； 第13周第14周（2周）：充实论文，后期检查整改。 、主要参考资料：1 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计（修订版），电子工业出版社，2006.1.3613672 阮新波，严仰光，直流开关电源的软开
4、关技术，北京：科学出版社，20003 马利军，峰值电流模式控制在移相全桥变换器中干的应用硕士学位论文，河海大学电气工程学院，2007.4 Yilei Gu, C. Chen, Analysis and Design of Two-Transformer Asymmetrical Half-Bridge Converter,” Proc, IEEE PESC 02 2002, 943-9485 L. Krupskiy, V. Meleshine, A. Nemchinov, Unified Model of the Asymmetrical Half Bridge for Three Impor
5、tant Topological Variations,” Proc, IEEE INTELEC99, 1999, pp.86 丁道宏，杨东平，串联输出谐振变换器开关特性和效率分析，电力电子技术，1994年第一期，29327 丁道宏，陈玉水，并联输出DC-DC谐振变换器的稳态输出与数字仿真，南京航空航天大学学报，1994，26（2）：1771868 王卫，张雷，李可，半桥串并联谐振电源的研究，哈尔滨工业大学学报，1996，28（1）：69759 周伟成，3kW LLC谐振式模块化通信电源硕士学位论文，浙江大学电气工程学院，2007指导教师：（签名： ）， 2012 年 月 日学生姓名：（签名：
6、 ），专业年级： 电气工程及其自动化09级 系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 专业负责人签字： ， 2012 年 月 日摘 要随着软开关技术和并联均流的发展，高性能的大功率高频开关电源的研究与开发已成为电力电子领域的重要研究方向，高频化,高效率，高功率密度和低损耗，低EMI噪声是DC/DC变换器的发展趋势，全桥LLC谐振变换器能够实现全负载范围下原边开关管ZVS，副边整流管ZCS,有效解决了移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器存在的问题，使得LLC谐振拓扑结构成为电力电子技术领域研究的热点。本文首先对谐振
7、变换器基本分类和工作过程进行归纳总结，并与传统PWM变换器进行对比，总结LLC谐振变换器主要优点；详细讨论LLC谐振变换器工作在各个开关频率区域内工作过程和工作原理，分析变换器工作在容性区域内的缺点和危害性以及轻载情况下的工作状况。其次，利用基波分析方法建立变换器数学模型，推导输入电压、输出电压和开关频率以及负载的关系，分析LLC谐振变换器空载特性和短路特性，推导感性和容性区域边界条件，确定变换器稳态工作区域，确定主开关管实现ZVS条件，分析系统小信号模型和设计控制器。最后，根据主开关管的ZVS条件总结谐振参数的计算步骤，据此设计了主电路和控制电路，在讨论几种常用的过流保护方法基础上采用实用过
8、流保护方法，而且对变换器的损耗做出详细的分析。通过实验证明了LLC谐振变换器具有软开关特性，电路结构简单、效率高，可以实现高频化和高功率密度，电路的输入电压范围和输出功率范围较宽以及输出整流二极管电压应力较低等优点。关键词：谐振变换器，软开关，基波分析方法，过流保护，损耗分析AbstractIn DC/DC converter applications, high frequency, high power density, high efficiency is the development trend. As a focus in DC/DC converters research fie
9、lds nowadays, LLC series resonant converter can solve well these problems such as hard to achieve ZVS in light load and revere recovery problems, also work well without any load, and the current through the resonant network is response to the variation on load. Just with the advantages comparing to
10、the series converter or the parallel converter, it can be widely focused on and used nowadays.The dissertation first analyzes three traditional resonant converters and compares them with LLC resonant converter, and then sums up the advantages of LLC resonant converter, and discusses in detail its pr
11、inciple and the operation modes in each frequency range, and the disadvantages and harmfulness in the non-inductance range and the work states in the light load. Secondly, based on the fundamental harmonic approximation (FHA), the mathematics model of the converter is obtained, the gain relations be
12、tween input and output voltage depending on switching frequency and load conditions are given, the no-load and short characteristic is analyzed, steady working region of LLC resonant converter is confirmed, and the conditions to achieve ZVS are given, small-signal model is analyzed and the controlle
13、r is designed. Finally, the calculation process of the resonant parameters is summed up, then the main circuit parameters and control circuit is designed, the fruit way of over-current protection is adopted, and the losses of the converter are analyzed in detail. The experimental results prove that
14、LLC resonant converter haves the advantages such as ZVS characteristic, simple circuit structure, the achievement of high frequency and high power density and high efficiency, the wide range of input voltage and output power, and the low voltage stress of output rectifier diodes.Keywords: resonant c
15、onverter, soft-switches, FHA, over-current protection, analysis of loss目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1直流变换器11.1.1.直流变换器的分类11.1.2直流变换器技术现状及未来的发展11.2软开关技术31.3谐振变换器与谐振电源41.3.1串联谐振变换器41.3.2并联谐振变换器51.3.3串并联谐振变换器71.3.4 LLC串联谐振变换器81.4 移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器与LLC串联谐振变换器比较8第二章 LLC串联谐振变换器工作原理112.1主电路112.2变换器工作在感性区间主要
16、波形和工作模态122.2.1工作在ffs区间(Buck)主要工作波形和工作模态122.2.2工作于fmffs（Buck）和f=fs的频率区间内，而且它可以工作在fmffs区间(Buck)主要工作波形和工作模态图2-2工作在ffs区间（Buck）主要工作波形LLC串联谐振变换器在ffs时工作波形如图2-2所示，可以把它分为8个工作模态，每一个工作模态等效电路如图2-3所示。假设输出电容无穷大，故认为输出电压V0保持不变。M1：在t0时刻，开关管Q1关断，谐振输入电流给开关管输出电容C1充电、C2放电，一直到t1时刻C2上电压降为零，这就给Q2的ZVS创造了条件。此时励磁电流继续线性上升，励磁电感
17、上电压被钳位在nV0，不参与谐振，只有谐振电感Ls和谐振电容Cs一起谐振。M2：在t1时刻，开关管Q2体内二极管D2导通续流，进一步为Q2的ZVS开通提供条件，此时能量继续传输给副边。直到t2时刻励磁电流和谐振输入电流相等，整流二极管D3关断。在此过程励磁电感仍然被钳位在nV0，不参与谐振。但从过程来看，谐振输入电流是以高di/dt的速率下降。M3：从t2时刻起，谐振输入电流继续减小到小于励磁电流时，整流二极管D4导通。正是由于D4导通，所以变压器励磁电感上电压反向被钳位在-nV0，这样励磁电流线性减小。在t3时刻，D2续流导通结束。M4：从t3时刻起，谐振输入电流反方向从零增大，Q2为ZVS
18、开通，能量继续传输给副边。在t4时刻，开关管Q2关断。M5：在t4时刻，由于Q2关断，谐振输入电流给C1放电、C2充电，此过程一直维持到t5时刻C2电压升到零为止，为Q1的ZVS开通创造条件。M6：在t5时刻，开关管Q1体内二极管D1开始续流，进一步为Q1的ZVS开通提供条件，此时能量继续传输给副边。直到t6时刻励磁电流和谐振输入电流相等，D4关断。同M2过程一样，谐振输入电流都是以高di/dt的速率变化。M7：从t6时刻起，谐振输入电流继续增大到大于励磁电流时，整流二极管D3导通。由于D3导通，所以变压器励磁电感上电压反向被钳位在nV0，这样励磁电流逐渐增大。直到t7时刻，谐振输入电流过零，
19、D1关断。M8：在t7时刻，谐振输入电流谐振过零变为正，开关管Q1为ZVS开通。能量继续通过D3传输给负载。在t8时刻，开关管Q1关断。从t8时刻开始，电路进入下一个周期。M1：t0t1 M2：t1t2M3：t2t3 M4：t3t4M5：t4t5 M6：t5t6M7：t6t7 M8：t7t8图2-3工作在Buck区间（ffs）工作模态在此运行工作区间，由于开关管关断时谐振输入电流较大，能够保证MOS管实现ZVS。然而，原边关断电流较大会产生较大关断损耗。此外，副边整流二极管电流同原边谐振输入电流类似，同样以较高di/dt速率关断，如图2-2工作模态中M2和M6，这样整流二极管上就会产生一定电压尖峰，给电路稳定运行带来了一定的不可靠性。此时输出整流二极管是硬关断，存在严重反向恢复问题，损耗较大，不利于效率提高。2.2.2工作于fmffs区间(Boost)主要工作波形和工作模态图2-4工作在fmffs区间（Boost）主要工作波形在此工作频率范围之内，LLC串联谐振变换器的额定负载稳态运行工作波形如图2-4所示。据图2-4每个周期内可以分为8个工作模态，每个工作模态的等效电路如图2-5所示。电路中，输出电容C0假设足够大，因此输出电压V0可以认为不变。M1：从t0时刻起，Q1处于导通状态，D3处于自然关断状态，输出被变压器隔离。此时流入变压器副边电