- 文献综述(或调研报告):
谐振型开关变换器是伴随着电力电子技术的发展趋势产生的。硬开关方式的效率会随着开关频率的提高而降低,解决该问题变得非常重要。80年代初期,谐振变换器得到了快速的发展。作为一种软开关电路谐振变换器,能有效的解决高频率时的低效率问题得到了国外的研究者关注和重视。最先得到发展是LC串联谐振变换器(SRC)。这一时间的研究成果非常突出,优秀的论文非常多。在研究初期一些学者给出了SRC谐振变换器的拓扑结构阵、稳定分析方法、小信号分析、控制方法和设计方法。随后一些学者开始关注另一种拓扑结构LC并联谐振变换器(PRC),研究了PRC的拓扑结构、稳态分析方法、小信号模型、控制方法,也给了一些设计方法。经过多年的研究,研究者已经充分掌握SRC和PRC的工作特性,在对SRC和PRC进行变频控制时它们都有比较突出的缺点。SRC是空载不可调,轻载对频率不敏感,PRC是谐振环路内的能量比较大,对变换器的效率有很大影响,另外在输入电压较高时开关损耗较大。
一些研究者都想结合二者的优点回避二者的缺点想找到一种更优秀的拓扑结构。在90年左右研究者提出多种谐振拓扑结构都是多谐振电路(谐振网络不再是仅有LC构成的),有的是三阶的也有四阶的甚至更高阶的。最受研究者关注是LCC谐振变换器,在90年初期进入了一个新的研究高潮,研究者对LCC谐振变换器进行深入的研究。同样作为三阶的LLC谐振变换器却没有得到充分重视其原因如下:一方面90年代分布式电源系统的概念还没有被提出来,对于输入电压的变化问题没有足够关注;另一方面LCC谐振变换器在很窄的频率范围内能实现负载从满载到空载的调节,并能够实现软开关技术保证了谐振变换器的效率。
2000年后,国外研究者重视起LLC谐振变换器的研究。美国弗吉尼亚大学的研究者对于LLC谐振变换器的工作原理进行了详细的分析,其给出了谐振参数设计步骤,详尽地研宄了变换器的控制环路及特殊情况下系统的保护等问题,为谐振变换器建立了很好的理论基础。韩国国立庆北大学的研究者对LLC谐振变换器的环路控制方面进行的研究具有一定的突破性,将平均电流模式控制应用于控制环路中。
此后,国内研究者对于LLC谐振变换器也开始给予关注。青岛大学的研究者对LLC谐振变换器基于扩展描述函数法的建模方面做了很多工作,给出了较为详尽的小信号建模思路和推导步骤;浙江大学的研究者对LLC半桥谐振变换器的滑模控制策略做了研究工作,将控制系统中常用的滑膜控制方式运用到谐振变换器的环路控制中;南京航空航天大学的研宄者在LLC谐振变换器的控制策略方面提出了联合控制策略,结合了脉冲宽度调制(PWM)与脉冲频率调制(PFM)两种方式运用到变换的控制中;南京理工大学的研究者对LLC谐振变换器控制环路以数字控制方式实现方面做了研究工作。
变换器的控制环路设计复杂,选择合适的方法对变换器建立易理解和分析的小信号模型是本设计的难点之一。小信号建模方法较为实用的是扩展函数描述法。扩展描述函数法最早由Eric X.Yang在1994年提出的,是在J.Groves方法的基础上改进的,运用扩展描述函数法可以大大简化对非线性电路的建模过程。对于一般的变换器,这种方法可建立起结构上简单、时间上连续的小信号模型。扩展描述函数法一个重要的优点为只需获取开关变换器的稳态信息就可使用此方法,从而可以不需要花费大量的时间用于仿真工作。同时对于变换器在任一周期运行时,用这种方法都可得到小信号模型,根据对模型准确度的不同需求,可以将任意阶的谐波分量加入或减去。因此,扩展描述函数法对于谐振变换器的小信号建模推导非常适合。
研究的热点主要集中在以下几个方面:
- LLC谐振变换器拓扑结构的研究,怎样合理选择参数,获得更优的工作性能;
- 建立能够更容易理解和掌握,并能直接应用于补偿器设计的小信号模型;
- 实现更高的频率,进而提高功率密度,缩小变换器的体积。
通过实验研究得出LLC谐振变换器主要有以下优点
- 在零到全负载范围内具有ZVS功能,且MOSFET关断电流低,关断损耗低;
- 高输入电压下具有高效率,可以在正常工作条件下对变换器进行最优化设计;
- 变换器次级没有滤波电感,输出整流二极管的电压应力低,能减少到两倍的输出电压;
- LLC谐振变换器能在输入电压和负载变化范围都很大的情况下,有良好的电压调节特性;
- LLC谐振变换器中的MOS管可实现ZVS,二极管可实现ZCS。
参考文献
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