LLC串联谐振

分 类 号 学 号 2003611310063 学 码校代 10487 密 级 硕 学 论士 位 文 LLC 联谐 桥串 振全 DC/DC 变换 研器的 究 学 请位申 人 ： 宫 力 学 专 业科 ： 电 电 与电 传动力 子 力 导 教 师指 ： 晓李 帆 教 授 辩答 日 期 : 2006年 4月 28日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research on LLC Series Resonant Full-Bridge DC/DC Converter Candidate ： Gong Li Major ： Power Electronics and Electric Drive Supervisor ： Professor Li Xiaofan Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, P.R.China II April, 2006 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 I 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 变换器是直流变换器研究领域 的热点，可以较好的解决移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器存在的缺点。但该变换器工 作过程较为复杂，难于和控制，目前尚处于研究阶段。本文以 LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器作为研究内容。以下是本文的主要研究工作： 对 LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器的工作原理进行了详细研究，利用基频分量近 似法建立了变换器的数学模型，确定了主开关管实现 ZVS 的条件，推导了边界负载条 件和边界频率，确定了变换器的稳态工作区域，推导了输入，输出电压和开关频率以 及负载的关系。仿真结果证明了理论分析的正确性。 采用扩展描述函数法建立了变换器在开关频率变化时的小信号模型，在小信号模 型的基础上分析了系统的稳定性，根据动态性能的要求设计了控制器。仿真结果证明 了理论分析的正确性。 讨论了一台 500w 实验样机的主电路和控制电路设计问题，给出了设计步骤，可 以给实际装置的设计提供参考。最后给出了实验波形和实验数据。实验结果验证了理 论分析的正确性。 关键词： 直流－直流变换器 软开关 串联谐振 小信号模型 II Abstract In DC/DC converter applications, high frequency, high power density and high efficiency is the development trend. Traditional hard-switched converters restrict the development of DC/DC converter.Phase-shift Full Bridge PWM ZVS DC/DC converter has been widely used owing to its ZVS condition of main switches. But it still has some disadvantages, for example: lagging-arm switches is hard to achieve ZVS in light load conditions; rectifier diode have unavoidable recovery problems and they not only cause great secondary loss, but also increase the voltage stress of the rectifier diodes; converter can achieve high efficiency in low input DC voltage conditions but low efficiency in high input DC voltage conditions, this kind of efficiency characteristic restricts its applications on high input DC voltage occasions and high-quality converters which have hold-up time requirements.Fortunately, as one focus in DC/DC converters research fields nowadays, LLC series resonant Full Bridge DC/DC converter can solve these problems successfully. But owing to its complexity caused by multi-resonant process, it’s hard to analyze, design and control. So LLC series resonant Full Bridge DC/DC converter has biggish research value. In this paper, LLC series resonant Full Bridge DC/DC converter is analyzed in detail. Based on the fundermental element simplification method, the mathematics model of the converter is obtained, the conditions to achieve ZVS are given. Steady working region of LLC series resonant Full Bridge DC/DC is confirmed, the relations between input and output voltage depending on switching frequency and load conditions are given. Simulation results prove the correctness of the theory. In order to design controller, small-signal model of the converter must be given. In this paper, the small-signal model of LLC series resonant Full Bridge DC/DC converters is deduced using Extended Desicribing Function Method. Also, stability of the converter is analysed and controller is designed to meet the requirments of dynamic process. Simulation results prove the correctness of theory. Based on theory analysis, a 500w prototype circuit is designed, and the design steps is given. The experimental results prove the efficiency of the converter. Keywords: DC/DC converter Soft-switching Series-resonant Small-signal model III 目 录 摘 要.................................................................................................................... I ABSTRACT........................................................................................................ II 1 绪论 1.1 电力电子技术的概况 ............................................................................(1) 1.2 开关电源和 DC/DC 变换器的发展趋势 ..............................................(2) 1.3 软开关技术.............................................................................................(4) 1.4 本文研究的主要内容 ............................................................................(6) 2 LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器的基本原理 2.1 移相全桥 PWM ZVS 变换器的基本拓扑结构和工作过程 ................(7) 2.2 MOSFET 和 IGBT 性能比较 ..............................................................(10) 2.3 LLC 串联谐振变换器工作原理分析和工作区域划分......................(12) 2.4 小结.......................................................................................................(32) 3 LLC 串联谐振全桥变换器小信号建模和控制系统设计 3.1 开关电源小信号建模的方法概述 ......................................................(33) 3.2 扩展描述函数法建模的基本原理 ......................................................(34) 3.3 LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器的小信号建模 ...........................(38) 3.4 LLC 串联谐振变换器小信号模型和稳定性分析..............................(42) 3.5 控制器的设计和实现 ..........................................................................(44) 3.6 小结.......................................................................................................(47) 4 主电路和控制电路设计 IV 4.1 主电路参数设计 ..................................................................................(48) 4.2 控制电路设计 ......................................................................................(57) 4.3 小结.......................................................................................................(61) 5 实验结果与分析 5.1 实验波形分析 ......................................................................................(62) 5.2 实验结论...............................................................................................(65) 全文...........................................................................................................(67) 致 谢...........................................................................................................(68) 参考文献...........................................................................................................(69) 附录 I 攻读硕士期间公开发表的论文 .....................................................(72) 1 1 绪论 1.1 电力电子技术的概况 电力电子技术是电工技术的分支之一，应用电力电子器件和以计算机为代表的控 制技术对电能特别是大的电功率进行处理和变换是电力电子技术的主要内容[1][2]。 在现代工业、交通、国防、生活等领域中，除变比固定的交流变压器以外，大量 需要其他各种类型的电力变换装置和变换系统，将一种频率、电压、波形的电能变换 为另一种频率、电压、波形的电能，使用电设备处于各自理想的最佳工作情况，或满 足用电负载的特殊工作情况要求，以获得最大的技术经济效益。经过变换处理后再供 用户使用的电能占全国总发电量的百分比值的高低，已成为衡量一个国家技术进步的 主要标志之一。2000年末，美国发电站生产的40%以上的电能都是经变换或处理后再 提供负载使用，预计到21世纪二、三十年代，美国发电站生产的全部电能都将经变换 或处理后再供负载使用。 当今世界环境保护问题日益严重，广泛采用电力电子技术后，可以节省大量的电 力，这就可以节约大量资源和一次能源，从而改善人类的生活环境。此外，如果在电 力系统的适当位置设置电力变换器或电力补偿器，能显著改善电力系统的运行特性。 因此电力电子技术具有巨大的技术，经济意义[1]。 1.1.1 电力电子变换的基本原理 用电设备将电能转变为光能、热能、化学能和机械能。光、热、化学反应和机械 能的调节和控制，可以通过改变通用设备电源电压的大小或频率方便地实现。电源可 分为两类：一是直流电源；二是交流电源。电力变换包括电压电流的大小、波形及频 率的变换。因此电力变换可划分为五类基本变换，相应地有五种电力变换电路或电力 变换器[1][2]。 (1)整流：实现AC/DC 变换 AC/DC 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的。功率由电源流向负 载的称为整流；功率由负载返回电源的称为有源逆变。AC/DC 变换按电路的接线方式， 可分为半波电路、全波电路；按电源相数，可分为单相、三相、多相；按电路工作象 2 限，又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。 (2)逆变：实现DC/AC 变换 逆变就是实现直流到交流的功率变换。如不间断电源UPS，系统平时利用充电式 电池储存电能，一旦交流电源中断，便可以把储存在电池中的直流电转换成交流电来 维持正常供电。 (3)变频：实现AC/AC(AC/DC/AC)变换 变频器电源主电路均采用交流-直流-交流，工频电源通过整流器变成固定的 直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电 压、频率可变的交流输出电源，输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实 现无级调速。 (4)斩波：实现DC/DC(AC/DC/DC)变换 DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压。当今软开关技术使直流 变换器发生了质的飞跃。日本NemicLambda 公司最新推出的一种采用软开关技术的高 频开关电源模块RM系列，其开关频率为200～300kHz，功率密度已达到27w/cm3。采用 同步整流器MOSFET，代替肖特基二极管使整个电路效率提高到90%以上。 (5)静止式固态断路器：实现无触点的开关、断路器的功能，控制电能的通断。 1.2 开关电源和 DC/DC 变换器的发展趋势 从技术上看，几十年来推动电力电子技术水平不断提高的主要标志是[3][4][5][6][7]： (1) 高频化 新型高频功率半导体器件如功率 MOSFET 和 IGBT 的开发，使实现开关电源高频 化有了可能。从而使中小型开关电源工作频率可达到 400kHz(AC/DC)和 1MHz(DC/DC) 的水平。超快恢复功率二极管、MOSFET 同步整流技术的开发也为高效、低电压输出 (3V 以下)开关电源的研制有了可能。现正探索研制耐高温的高性能碳化硅功率半导 体器件。 (2) 软开关 软开关技术使高效率、高频开关变换器的实现有了可能。传统 PWM 开关电源按 硬开关模式工作，开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更 大。为此必须研究开关电压/ 电流波形不交叠的技术，即所谓零电压/ 零电流开关技 术，或称软开关技术。小功率软开关电源效率可提高到 80-85% 。70 年代谐振开关电 3 源奠定了软开关技术的基础。以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振；移相全桥 ZVS—PWM；恒频 ZVS—PWM/ ZCS—PWM；ZVS—PWM 有源箝位；ZVT—PWM/ ZCT—PWM； 全桥移相 ZVS—ZCS—PWM 等。 (3) 功率因数校正技术(PFC) 目前 PFC 技术主要分为有源 PFC 技术和无源 PFC 技术两大类，采用 PFC 技术可 以提高 AC-DC 变换器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。有源功率因数校正技 术 APFC 的开发，提高了 AC/DC 开关电源功率因数。由于输入端有整流—电容元件， AC/DC 开关电源及一大类整流电源供电的电子设备(如逆变器，UPS)等的电网侧功率 因数仅为 0.65，80 年代用 APFC 技术后可提高到 0.95～0.99，既治理了电网的谐波 污染，又提高了开关电源的整体效率。单相 APFC 是 DC/DC 开关变换器拓扑和功率因 数控制技术的具体应用，而三相 APFC 则是三相 PWM 整流开关拓扑和控制技术的结合。 (4) 磁性元件，新型磁材料和新型变压器的开发。如集成磁路，平面型磁心，超 薄型变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路变压器等，使开关电源的尺 寸重量都可减少许多。 (5) 电磁兼容(EMC) 在电力电子装置中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关方式工作，开关 电压及开关电流均为方波，从频谱分析可知，方波信号含有丰富的高次谐波。同时， 由于电源变压器的漏电感及分布电容，以及主功率开关器件的工作状态非理想，在高 频开或关时，常常产生高频高压的尖峰谐波振荡，该谐波振荡产生的高次谐波，通过 开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。用于 整流及续流的开关二极管，也是产生高频干扰的一个重要原因。整流及续流二极管工 作在高频开关状态，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的 影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，且产生高频振荡。因为整流及续流二 极管一般离电源输出线较近，其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出。这些都 是产生电磁干扰的来源。新电容器和 EMI 滤波器技术的进步，使电力电子装置小型化， 并提高了 EMC 的性能。 (6) 模块化技术。 采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。 (7) 低压大电流直流电源。 随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越 4 低，这就要求未来的 DC/DC 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子 设备的供电要求。 (8) 数字化 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年 代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字信号、数字电路 显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计 算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、 便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错技术的植入。 1.3 软开关技术 传统硬开关有以下缺点[3]：(1)在一定条件下,开关管在每个开关周期中的开关损 耗是恒定的。变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗 越大，变换器效率越低。开关损耗的存在限制了开关频率的提高，从而限制了变换器 的小型化轻量化；(2)开关管工作在硬开关时会产生高di/dt和dv/dt从而产生大的电 磁干扰(EMI)。如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹可能会超出安全工作区， 导致开关管的损坏。为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化，要提高开关频 率，同时提高变换器的效率，就必须减小开关损耗，减小开关损耗的途径就是实现开 关管的软开关，因此软开关技术应运而生。 1.3.1 DC/AC 逆变器中的软开关技术 在DC/AC逆变器，尤其是多相逆变器中，软开关技术的应用有很大困难[6]。通常 逆变器中存在着多个开关，若每个开关都采用类似 DC/DC 变换器中的软开关工作方 式，则构成软开关的谐振单元相互影响，使电路难以正常工作。1986年美国威斯康星 大学的D. M. Divan 提出了谐振直流环逆变器RDCLI和谐振极逆变器(RPI)才较好地解 决了这个问题，并立刻引起了广泛地重视。随后提出了许多改进电路和拓扑结构。直 流谐振环节逆变器是在原先的PWM电压型逆变器与直流电源之间加入一个辅助谐振电 路，令直流谐振环节产生谐振且使逆变桥直流母线上的电压周期回零，为逆变器中的 开关创造零压开关的条件。谐振直流环节的最大进步在于用高频脉冲序列为逆变器供 电，代替原来的恒压供电方式。谐振极逆变器是把辅助谐振回路移到桥臂的上下开关 5 联接点，利用谐振为逆变器创造零压开关的条件。 1.3.2 DC/DC 直流变换器的软开关技术 变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来改善开关器件的开关轨迹,减小 开关损耗。最早的方法是采用RLC缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关 损耗转移到缓冲电路中消耗掉，这种方法对变换器的变换效率没有提高甚至会使效率 有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗 不是开关损耗的转移。直流电源的软开关技术一般可分为以下几类[1][3][6]： (1)全谐振型变换器 一般称为谐振变换器Resonant converters，该类变换器实际上是负载谐振型变 换器，按谐振元件的谐振方式分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负载与 谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类：串联负载谐振变换器和并联负载谐振 变换器。在全谐振变换器中谐振元件一直谐振工作参与能量变换的全过程，该变换器 与负载关系很大，一般采用频率调制方法。 (2)准谐振变换器QRCs 和多谐振变换器MRCs 这是软开关技术的一次飞跃。这类变换器的特点是，谐振元件参与能量的某一个 阶段，不是参与全过程。准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零电压开关准 谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关，这类变换器通常需要采用 调频控制的方法。 (3)零开关PWM变换器Zero switching PWM converters 它可分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器。该类变换器是在QRCs 的基础上加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制即实 现PWM控制。这与QRCs不同的是谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般 为开关周期的1/10，1/5。 (4)零转换PWM 变换器Zero transition converters 它可分为零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器.这类变换器是软开关技 术的又一个飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关 管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关在其他时间则停止工作。这样辅助谐振 电路的损耗很小。 在直流电源的软开关技术中还有无源无损软开关技术。软开关技术的采用，提高 6 了变换器的工作频率，降低了开关损耗，减小了功率元件的电压电流应力，但其中仍 有许多问题有待解决，如进一步扩大功率使用范围，完善控制技术，提高工作可靠性 等。但软开关技术的应用已经给功率变换器的发展带来了深刻的变革，软开关技术的 进一步完善和实用化，必将为实现高品质的功率变换系统提供有力的技术保障。 1.4 本文研究的主要内容 软开关技术是当前电力电子技术研究的热点之一。在分析对比移相全桥直流变换 器和LLC串联谐振全桥DC/DC变换器特点的基础上，本文对LLC串联谐振全桥直流变换 器的工作原理做了详细分析研究，设计了实验样机，实验结果验证了理论分析的正确 性。本文的主要内容如下： 1). LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的稳态工作原理分析 在分析移相全桥PWM ZVS DC/DC变换器缺点和分析对比MOSFET和IGBT各自特点的 基础上，确定了LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的稳态工作区，建立了变换器的数学模 型，详细分析研究了LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的特点和电路的工作过程。 2). LLC串联谐振全桥DC/DC变换器小信号模型的建立和动态特性研究 本文首先对DC/DC变换器的小信号建模方法进行了归纳。然后利用扩展描述函数 的方法，详细研究了LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的小信号建模。在此基础上，分析 了变换器的稳定性，研究了控制器的设计。仿真结果验证了理论分析的正确性。 3). 主电路和控制电路的设计 在理论分析的基础上，本文对一台LLC串联谐振全桥DC/DC变换器实验样机的主电 路和控制电路设计过程进行了详细研究。设计中采用了集成磁设计方法。设计步骤和 结论可以为实际装置的设计提供参考。 4). 实验结果和全文总结 为了验证理论分析的正确性，本文给出实验的波形和实验数据并对实验结果进行 了详细分析，得出了实验结论。全文的最后，对全文的研究工作做了总结，并对该电 路优缺点进行了分析和总结。 7 2 LLC 串联谐振全桥 DC/DC 变换器的基本原理 近年来，移相全桥 ZVS PWM 变换器作为一种优秀的变换器拓扑结构，能够实现主 开关管的零电压开通，成为电力电子技术领域的研究热点之一。但是该变换器也有一 些缺点，不适合对电源性能有特殊要求的场合，如有输入掉电维持时间[8](Hold-up time)要求的通信用二次电源。而 LLC 串联谐振变换器能够有效地克服移相全 PWM ZVS 变换器的缺点。由于这种谐振变换器工作在高频条件下，主开关管使用 MOSFET，本 文首先分析了 MOSFET 的特点，为 LLC 串联谐振全桥变换器工作区域的选择提供了依 据，然后从分析比较以上两种电路特点的角度，详细分析了 LLC 串联谐振全桥变换器 的基本原理和工作过程，确定了其稳态工作区。 2.1 移相全桥 PWM ZVS 变换器的基本拓扑结构和工作过程 2.1.1 移相全桥 PWM ZVS 变换器的基本原理 移相全桥 PWM ZVS 变换器的基本拓扑结构如图 2.1 所示。其电路结构与普通双极 性 PWM 变换器类似，T1和 T2组成超前桥臂，T3和 T4组成滞后桥臂。C1～C4分别是 T1～ T4的谐振电容，包括寄生电容和外接电容。Lr是谐振电感，包括变压器的漏感。T1和 T2分别超前 T4和 T3一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小，调节输出电压。 D5、D6是整流二极管，Lf、Cf构成二阶滤波器（Lf足够大，If近似恒定）[1][3][9]。 D6 D5 T1 D1 C1 T2 D2 C2 T3 D3 C3 T4 D4 C4 Vin Lr RL Lf Cf A B ip IfK:1 Vo 图 2.1 移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器基本电路 移相全桥 PWM ZVS 变换器的主要工作波形如图 2.2 所示。半个开关周期内电路工 作过程分为六个阶段，图中 tδ为移相角、td为死区，ip为变压器原边电流。 8 阶段 1[t0-t1]： 在 t0时刻关断 T1，电流 ip从 T1转移到 C1和 C2支路中，给 C1充电，同时 C2被放电。 在此期间，谐振电感 Lr和滤波电感 Lf是串联的，而且 Lf很大，可以认为 ip近似不变， 类似于一个恒流源。电容 C1的电压从零开始线性上升，电容 C2的电压从 Vin开始线性 下降，在 t1时刻，C2的电压下降到零，T2的反并二极管 D2自然导通，将 T2的电压箝 在零电位。 T1 T2 iD5 iD6 ip VAB Vgs Vin iD5 iD6 Vr t0O tδtd T1 T4 T3 T4 t1 t2 t3t4t5 t6t7 t8 t9t10t11 t t t t t 图 2.2 移相全桥变换器主要工作波形 阶段 2[t1-t2]： t1时刻 T2的电压已被箝在零电位，T4导通。VAB=0,此后 ip将经 T4,D2和 Lr续流，ip 减小，其感应电压使变压器副方二极管 D5导通，续流 If。在此续流阶段，D2导通，只 要满足 t01=t1－t0