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LLC谐振变换交错并联技术的研究.pdf55页
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LLC谐振变换交错并联技术的研究
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国内图书分类号:TM461.5 学校代码:10213 国际图书分类号:621.3 密级:公开 工程硕士学位论文 LLC
谐振变换器交错并联技术的研究 硕 士 研 究 生:苑永峰 导 师:张东来教授 副 导 师:杨志民高级工程师 申
位:工程硕士 工
域:电气工程 所 在 单 位:国耀电子科技有限公司 答 辩 日 期:2013 年 12 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 万方数据 Classified index: TM461.5 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master’s Degree of Engineering RESEARCH ON LLC RESONANT CONVERTER INTERLEAVED PARALLEL TECHNOLOGY Candidate: Yuan Yongfeng Supervisor: Prof. Zhang Donglai Associate Supervisor : Yang Zhimin Academic Degree Applied for :
Master of Engineering Speciality: Electrical Engineening Affiliation : Shenzhen GYE tech CO.,LTD. Date of Defence : December , 2013 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology
万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 由于开关电源的器件、拓扑电路等不断发展,做大输出功率、提高电源效率、 提高电源功率密度早已成为开关电源的几个发展方向。提高电源的工作频率是一 种有效的解决办法,因为只有提高工作频率才能降低电源的功率器件的尺寸和体 积,但传统的硬开关电源转换器限制了电源工作频率的继续提升,较高的工作频 率使得开关管损耗逐渐增多,因此提高电源工作频率是硬开关电源不能解决的主 要问题。零电压(ZVS )和零电流(ZCS )拓扑电路有很低的开关损耗,可以大 大提高电源的工作频率,同时降低了功率器件的尺寸,提高了电源的功率密度和 电源工作效率。LLC 谐振软开关变换器就是一个具有零电压和零电流工作模式的 拓扑电路,但 LLC 谐振软开关变换器工作过程比较复杂,设计和控制有很大难度。 DC/DC
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LLC谐振该怎么学习
阅读: 1291
电源币:148&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:81
做电源的新手,之前玩过反激,现在准备学习LLC谐振,求教该怎么学习?有什么资料推荐?
电源币:70&nbsp|&nbsp主题帖:102&nbsp|&nbsp回复帖:839
先从各个关键点的分支学起
电源币:148&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:81
已顶,感谢指点
电源币:339&nbsp|&nbsp主题帖:32&nbsp|&nbsp回复帖:550
呵呵,没有看到什么精华的帖子,
电源币:148&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:81
郭工的文章不错,可惜看不太懂
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
先弄懂一颗控制IC.
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
看一下工作原理,了解它的的工作方式。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
再找该IC厂商或代理商要一块DEMO板。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
拿到DEMO板再来进行相关测试,所先要看开关波形,了解它的工作方式。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
测试它的先关电气,与其他线路架构进行对比。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
发现问题,或有不清楚的地方再与厂商联系,沟通。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
再自己也复制一款LLC产品。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
最后自己再动手设计一款LLC产品出来。
电源币:70&nbsp|&nbsp主题帖:102&nbsp|&nbsp回复帖:839
这个是我的资料,你顶顶
我在论坛里还有很多资料归类
可以多看看
电源币:7&nbsp|&nbsp主题帖:9&nbsp|&nbsp回复帖:302
先把基本概言搞清楚,找点书看下先。
电源币:148&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:81
大哥,有没有推荐的书
电源币:111&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:188
先从原理学起。把线路看懂。
电源币:148&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:81
在看了,有没有推荐的资料
电源币:10&nbsp|&nbsp主题帖:9&nbsp|&nbsp回复帖:338
樓主確定是要學習LCC不是LLC嗎?差一字可是完全不一樣的結果。
电源币:148&nbsp|&nbsp主题帖:5&nbsp|&nbsp回复帖:81
我都没注意,还真是LLC,对不起大家了,请问有什么推荐的吗?LLC的论文看的一头雾水,软开关方面的资料还能勉强看懂.
电源币:15&nbsp|&nbsp主题帖:1&nbsp|&nbsp回复帖:7
顶!期待!
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
看书就好了
电源币:0&nbsp|&nbsp主题帖:0&nbsp|&nbsp回复帖:9
网上down一个硕士论文看看,看懂了可以看看杨波的博士论文这是很经典的教材我从07年看到现在。电源网有一个fly讲LLC的帖子也是很经典的,开了N年了,还有人不断更新。
电源币:339&nbsp|&nbsp主题帖:32&nbsp|&nbsp回复帖:550
经过理论与实际测试后,再来自己动手设计一个LLC电源。
电源币:339&nbsp|&nbsp主题帖:32&nbsp|&nbsp回复帖:550
先从原理学起。把线路看懂。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
找资料看下,先弄懂原理。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
再找一个LLC成品,或DEMO板,实际测试下。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
将关键一些波形,测试出来。结合资料介绍再来看。
电源币:174&nbsp|&nbsp主题帖:2&nbsp|&nbsp回复帖:115
经过理论与实际测试后,再来自己动手设计一个LLC电源。
电源币:339&nbsp|&nbsp主题帖:32&nbsp|&nbsp回复帖:550
先把基本概言搞清楚,找点书看下先
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
电路工作的2个阶段如下:
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
1)传输能量时段&此阶段LrCr中流过正弦形电流,这个电流比Lp中的斜坡电流大时,&多余部分无处可去,只好传送到低阻抗的次边,将整流二极管开通,&变压器此时是“透明的”,所以原边电压是次边输出电压的反射电压.&于是Lp电流是线性增加的.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
当LrCr电流谐振过正弦峰顶后数值逐渐开始下降,而Lp电流却&越来越大,此消彼长之下,二者终于相等.这时候没有多余电流&可以通过变压器传送到次边,原、次边脱离,传输能量阶段结束.&可以想象,由于这个阶段是LrCr主导,所以传输能量的时间大致&是LrCr的半个谐振周期1/SQRT(Lr*Cr).&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
2) 续流阶段&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
原、次边脱离后,LrCr与Lp三者形成一个整体,电流以一个&相对缓慢的速率下降,由于Lp一般数值较大,所以其实这个谐振回路&感性成分很大,近似恒流源性质,这有助于在下半个周期开关管&换流时实现ZVS.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
不论如何,这两个阶段加起来的时间不会比LrCrLp三者的半谐振周期时间长,&因为毕竟传输能量时段是LrCr主导.所以LLC设计的频率变化范围就在&LrCr谐振频率和LrCrLp谐振频率之间.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
Lp的作用非常的关键.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
1)在传送能量时期(假设称为Ta)的后半阶段储存能量,并在下半个Ta的开始阶段释放能量.&&& (这个看起来有点费解,好象如此能量交换没有太大意思?)&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
2)无功续流阶段(假设叫做Tb)增强整个谐振回路的感性分量,有利于ZVS实现.
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
物理意义就是励磁电流使电容电压发生变化,开关频率越低于LrCr的谐振频率时,续流越长,电容电压变化越大.例如:上管导通时,过了谐振后,Lp,Lr,Cr的谐振电流继续给Cr充电,使Cr的电压远大于1/2Vin,使输出电压稳定,从Vo/Vin看就升压了.
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
对于传统的并联谐振电路而言,fr'右侧各条增益曲线&斜率都是负的,也就是说谐振回路不论负载轻重(也就是Q不论高低)&一定是感性的,这样就可确保半导体开关的ZVS始终得以维持.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
而对于和LLC等效的的这个并联谐振电路而言,fr' 右侧增益曲线&斜率就有负有正,尤其是重载(Q较小)时临近fr' 附近斜率是正值,&这意味着整个谐振回路呈现容性,半导体开关的ZVS条件被破坏,&而变为ZCS运行,这个一般是不希望的工况.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
重载谐振回路呈现容性比较易于理解,因为随着与Lp并联电阻的减小,&Lp被旁路失效,电路蜕变为Ceq与负载串联,所以真个回路为容性.
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
并联谐振的一些缺点同样在LLC上面存在,&比如轻载仍存在的环流,还有是突加负载时失去ZVS的风险
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
不过LLC与并联谐振还是不一样的,因为LLC中的LrCr等效为&Ceq后,数值不固定,相当于一个变参数的谐振电路,&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
频率越低Ceq越大,则谐振回路特性阻抗&越低,Q值增加,而且谐振点也随之减小左移,这都有利于&防止正斜率的过早出现.&
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
实际上,这类变参数的谐振电路通常都可以获得比常参数谐振电路&更好的性能.
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
其实不应该认为是缺点,轻载存在的环流是为实现了轻载或空载时的软开关,并且这个值是可控的,按照"杨波"的过流保护方法,突加负载时失去ZVS的风险是不存在的,因为实现了逐周限流,并且是ZVS,这个我做过实验.
电源币:6&nbsp|&nbsp主题帖:136&nbsp|&nbsp回复帖:768
输入电压变化较大时&限流值也随之变化,不过终究还是可以保证不会发生颠覆性的后果.
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本方案利用新一代1000V、65毫欧4脚TO247封装碳化硅(SiC)MOSFET(C3M0065100K)实现了高频LLC谐振全桥隔离变换器,如图所示。由于碳化硅的高阻断电压, 快速开关及低损耗等特点, 高压输入隔离DC/DC变换器的拓扑可以得到简化(从原来的三电平简化为传统全桥拓扑)。碳化硅MOSFET在软开关桥式上具有以下明显的优势:高阻断电压可以简化拓扑设计,电路从复杂三电平变为两电平全桥电路,提高可靠性;由于拓扑简化,采用硅基650V MOSFET的方案在每个开通时刻有两颗MOSFET同时导通,所以实际等效导通损耗会比采用全桥拓扑的1000V碳化硅MOSFET要大;低寄生电容如输入电容(Ciss),输出电容(Coss)及反向传输电容(Crss),使得器件快速开关,从而减少关断损耗,开关表现更好并适合用于更高频开关变换器;体二极管具有极低反向恢复时间(trr)及反向恢复电荷(Qrr)从而降低二极管开关损耗及操声,便于实现宽范围工作;较短的导通(tdon)及关断(tdoff)延迟时间和低Qrr能承受更短死区时间,低死区时间可以降低绕组回流损耗;较低栅极总电荷(Qg)在高频应用上得到更低栅极开关驱动损耗.碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示,同一额定电流900V的器件,碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说(特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候),这个指标非常关键,它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音,便于提高开关工作频率。给出了本设计主要参数指标,其中输出最大电流为35A,输出电压范围在300V-550之间。工作频率范围在150KHZ-400KHZ之间。目标最高效率超过98.4%,功率密度达到60瓦/立方英寸。碳化硅器件包括主开关MOSFET:C3M0065100K; 输出碳化硅二极管:C5D50065D;单端反激Flyback辅助电源的MOSFET:C2M1000170D方案能广泛应用于新能源电动汽车充电、通信电源和高压直流工业电源等三相隔离变换器中。本图比较了15KW市面上量产硅MOSFET方案和本碳化硅MOSFETR的20KW方案的尺寸和拓扑,从结果上看,该碳化硅MOSFET器件由于自身的高频高压以及低体二极管反向恢复的优势能简化拓扑设计,提高了隔离DC/DC变换器的功率密度。方案每个开关采用两颗1000V、65毫欧碳化硅MOSFET(C3M0065100K)并联,总共有8颗碳化硅在变压器原边,输出电压范围是300V-550V直流,输出恒定电流为35A。其中谐振电感采用两颗8uH的PQ3540串联,主变压器为两个PQ6560、Lm=150uH变压器并联。次边采用恒压加恒流控制策略实现全谐振变频控制。该图给出了20KW高效LLC谐振全桥变换器的试验样机图。其中包括有LLC控制反馈电路,辅助电源电路,谐振LLC等无源器件,原边碳化硅MOSFET散热器,次边碳化硅650V二极管散热器,驱动电路以及两个12W风扇。 整体板子尺寸为:275mmX220mmX65mm。在LLC电路设计时候,一个重要参数是谐振点的设定,设定好谐振频率意味着最高效率的确定,这个需要考虑实际工作情况以及器件自身特性来决定。对于宽输入输出电压的应用来说,就是要设定谐振点对应的额定输入输出电压,在此额定输入输出电压下实现最高效率工作,变换器实现ZVS开通,关断实现接近ZCS关断;当工作在谐振点左面时,变换器工作在低于谐振频率的升压状态,输出二极管实现零电流ZCS关断,碳化硅MOSFET关断瞬间主要存在励磁电流的较小关断损耗。但其主要缺陷原边励磁电流有效值增加,从而在原边产生环流损耗,此环流损耗并不传输能量同时会在变压器、电感以及碳化硅MOSFET上产生导通环流损耗和温升等问题。这个损耗与采用碳化硅器件与否没有直接关系,即便采用碳化硅MOSFET设计环流损耗还是依然存在的;当工作在谐振点右面时,变换器工作在高于谐振频率的降压状态,其特点是高频率工作可以减小原边励磁电流有效值,从而降低环流带来的导通环流损耗。但此时碳化硅MOSFET和输出二极管工作在硬关断状态,会增加关断损耗。另外,对于传统硅器件来讲,其体二极管反向恢复时间trr一般大于200ns以上,这样会产生较大体二极管反向恢复带来的开关损耗和噪音,这是限制硅MOSFET工作在LLC更宽范围的最主要原因。碳化硅MOSFET的反向恢复损耗更低(一般在14ns左右),同时关断速度较快,这就便于变换器更多的工作在高于谐振频率的范围内工作,实现宽输出电压范围。因此,在此模式下使用碳化硅MOSFET可以减小关断损耗和体二极管带来的开关损耗,实现更高频率更低输出电压工作。该图为20KW LLC设计的在35A输出电流条件下的DC增益曲线。从图中可以看到,最高效率谐振频率设定在700V输入500V输出条件下,谐振频率为200KHZ。同时谐振频率设计较为靠近最高输出电压下的最低工作频率,从而降低励磁电流带来的环流损耗,这个环流损耗对效率影响非常大。此时适当增加K=Lm/Lr=4.7的比值,可实现更宽范围工作。同时,最低工作频率是150KHZ,实现输入750V输出550V变换。最高工作频率为400KHZ,实现输入650V输出300V变换。 图示给出了变压器和谐振电感的设计。特别是谐振电感设计是实现高频LLC工作的难点,在该碳化硅方案中采用了下面措施降低谐振电感温升的问题:采用分段气隙设计方法,降低气隙漏磁与线包耦合带来的高频集肤效应问题,降低内层线包温度。同时可以减小过大高频漏磁带来的EMI问题;电感和变压器都采用Litz线多股绕制,减小高频电阻损耗,线包层数需要控制在三层以内;利用高温印制板将磁芯中柱和线包隔开3mm-5mm的距离,使得自然风既能冷却外部线包和磁芯,又能冷却内部线包和磁芯中柱。最高效率在额定700V输入和500V输出条件下超过98.4%。满载条件下效率为97.7%。该效率测试包括辅助电源的损耗。此图为500V/20A输出半载条件下的波形和效率,最高效率达到98.4%。 工作在谐振频率200KHZ。此图为500V/35A输出满载条件下的波形和效率,最高效率达到98.2%。 工作在谐振频率200KHZ。此图为550V/35A输出满载条件下的波形和效率,最高效率达到97.7%。 工作频率为180KHZ,小于谐振频率。&此图为400V/35A输出般载条件下的波形。 工作频率260KHZ,大于谐振频率。在300V输出电压下工作频率将达到400KHZ。&给出了实际测试满载20KW(550V/35A输出)工作下主要器件(MOSFET,二极管,变压器和电感)温度,测试环境问题为30度,测试采用风冷散热,变换器没有外壳处于开放式工作状态。实测碳化硅MOSFET工作壳温低于70摄氏度。方案研究了基于新一代1000V碳化硅MOSFET软开关LLC谐振DC/DC全桥变换器, 工作频率范围为150KHZ至400KHZ的20KW谐振变换器证明了碳化硅MOSFET能简化高压输入隔离DC/DC变换器拓扑且具备高效能、高可靠性等明显优势,适合应用在中大功率新能源领域。其主要特点如下:碳化硅MOSFET高阻断电压(一般大于1000V)能够简化拓扑电路设计,利用传统H桥电路设计高输入电压(大于600V)隔离变换电路,而不需要三电平等复杂电路,简化电路和驱动设计。同时每个开关状态导通损耗降低;碳化硅体二极管反向恢复时间和电荷远小于650V硅MOSFET器件的体二极管反向恢复时间和电荷,因此它降低了寄生体二极管反向恢复的开关损耗和噪音,便于实现宽工作频率工作;碳化硅MOSFET的Coss小,降低了器件的关断损耗;碳化硅MOSFET延迟时间小,可以进一步减小死区提高效率,本方案最高效率达到98.4%;碳化硅MOSFET驱动电荷Qg只有硅650VMOSFET的10%,减小了开关驱动损耗,能实现更高频率工作,该方案最高工作频率为400KHZ。
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[硕士毕业论文]论文目录&摘要第1-9页英文摘要第9-11页1.引言第11-17页  · 研究背景和意义第11-12页  · 国内外研究的现状第12-16页    · DC-DC 谐振变换器的发展第12-15页    · 谐振变换器的交错并联第15-16页  · 研究的主要内容第16页  · 本章小结第16-17页2.交错并联简介及LLC 变换器工作特性分析第17-30页  · 交错并联的基本原理及设计要求第17-18页    · 交错并联的基本原理第17页    · 交错并联系统设计要求第17-18页  · LLC 谐振变换器交错并联的方案第18-19页  · LLC 谐振变换器基本工作原理第19-23页    · 主电路拓扑第19-20页    · 开关频率位于两谐振频率之间时的工作原理分析第20-22页    · 开关频率等于与大于谐振频率fr 时的工作原理分析第22-23页  · LLC 半桥谐振变换器特性分析第23-29页    · 电压增益特性和阻抗特性第23-26页    · 空载特性分析第26-27页    · 短路特性分析第27-28页    · ZVS 的限制条件第28-29页  · 本章小结第29-30页3.实验样机硬件电路设计第30-42页  · 谐振元件的设计第31-32页    · 谐振元件参数计算第31-32页    · 隔离变压器设计第32页  · 主电路器件选型第32-33页    · 开关管和整流二级管选型第32-33页    · 输出电容的选择第33页  · 控制电路设计第33-41页    · 控制芯片L6599 简介及外围电路设计第33-37页    · 控制回路设计第37-39页    · 驱动脉冲时序第39-40页    · 分频电路设计第40页    · 半桥驱动器NCP5181 设计第40-41页  · 本章小结第41-42页4.仿真与实验验证第42-55页  · 仿真验证第42-44页  · 实验结果及分析第44-53页    · 控制电路实验波形及分析第45-47页    · 主电路的实验波形及分析第47-53页  · LLC 谐振变换器的效率测试第53-54页  · 本章小结第54-55页5.结论与展望第55-56页  · 结论第55页  · 展望第55-56页致谢第56-57页参考文献第57-60页附录第60-62页攻读学位期间发表的学术论文第62页
本篇论文共62页,。
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