全桥LLC串联谐振DCDC变换器——毕业论文.doc

1、 编号 南京航空航天大学毕 业 设 计题 目 全桥 LLC 串联谐振 DC/DC 变换器学生姓名学 号学 院 自动化学院专 业 电气工程与自动化班 级指导教师 年 月毕业设计（论文）报告纸i全桥 LLC 串联谐振 DC/DC 变换器摘 要近现代随着能源价格的增高和需求的增大，工作效率的高低成为了 DC/DC 变换器比较重要的指标之一。为了追求 DC/DC 变换器的大功率和高效率，需要不断地改进变换器的结构和器件。传统移相全桥软开关变换器可以有较大的功率，并且可以较好的实现 ZVS，提高效率。但是相对的却限制了负载的范围，反向二极管的恢复也成了问题并且在输入大电压时效率很低。为了解决这些问题，本

2、文试着研究全桥 LLC 串联谐振变换器。本文首先简单介绍了传统移相全桥 PWM ZVS 变换器、全桥 LC 串联谐振变换器、全桥LC 并联谐振变换器和全桥 LCC 串并联谐振变换器，并指出了其中的优缺点。在此基础上对比介绍了全桥 LLC 串联谐振变换器。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。之后又设计了一个变换器电路，计算了相关参数，并且对元器件进行了选择。本文使用UC3861 进行

3、开关控制，设计了它的闭环电路。最后用 saber 软件分别进行了满载、半载、轻载和空载的仿真分析。仿真结果证实了理论分析的正确性。关键词：DC/DC 变换器，全桥， UC3861，LLC毕业设计（论文）报告纸iiFull bridge LLC series resonant DC/DC converterAbstractIn modern times with increasing energy prices and increased demand, the level of efficiency has become the important index of DC/DC convert

4、er. In order to pursue DC/DC converter with high power and high efficiency, the structure and device of converter is needed to be improved. The traditional phase shifted full bridge PWM ZVS converter has some bad place. It limits the load range. Reverse diode recovery has become a problem when the i

5、nput voltage and high efficiency is very low. To solve these problems, we try to study the full bridge LLC series resonant converter.This paper introduces the circuit and the characteristics of the traditional phase shifted full bridge PWM ZVS converter, full bridge LC series resonant converter and

6、the full bridge LC parallel resonant converter and the full bridge LCC series resonant converter. Then their shortcomings are pointed out. In this paper, LLC series resonant Full Bridge DC/DC converter is analyzed in detail. Based on the fundamental element simplification method, the mathematics mod

7、el of the converter is obtained, and 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. Then, a converter circuit is desig

8、ned, its parameters are calculated and the selected its components. This paper uses UC3861 for switching control and designed the closed-loop circuit. Finally uses the saber software to analyze some different situation of load.Finally, the simulation results are given, confirm the theoretical result

9、s are accurate.Key Words：DC/DC converter; Full bridge; UC3861; LLC毕业设计（论文）报告纸iii目 录摘 要 .iAbstract .ii第一章 引 言 .- 1 -1.1 课题背景 .- 1 -1.2 谐振变换器研究现状 .- 1 -1.2.1 移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器 .- 1 -1.2.2 LC 串联谐振变换器 .- 2 -1.2.3 LC 并联谐振变换器 .- 3 -1.2.4 LCC 串并联谐振变换器 .- 3 -1.3 本文的主要内容 .- 4 -第二章 全桥 LLC 串联谐振 DC/DC 变换器

10、.- 6 -2.1 引言 .- 6 -2.1.1 拓扑图 .- 6 -2.1.2 全桥 LLC 谐振变换器的优缺点 .- 6 -2.2 全桥 LLC 串联谐振变换器的原理 .- 6 -2.2.1 全桥 LLC 串联谐振变换器的等效电路 .- 6 -2.2.2 全桥 LLC 串联谐振变换器的工作区域 .- 10 -2.3 全桥 LLC 串联谐振变换器的工作过程 .- 12 -2.3.1 开关管工作在区域 1（f mf r） .- 14 -2.4 频率特性 .- 16 -2.5 空载特性 .- 17 -2.5 短路特性 .- 18 -2.6 本章总结 .- 19 -第三章 闭环控制电路的设计 .-

11、 20 -3.1 UC3861 的简单介绍 .- 20 -毕业设计（论文）报告纸iv3.2 UC3861 的工作原理 .- 21 -3.3 闭环电路的设计 .- 22 -3.4 本章总结 .- 22 -第四章 参数设计及仿真结果 .- 24 -4.1 参数设计 .- 24 -4.1.1 性能指标要求 .- 24 -4.1.2 主电路参数设计 .- 24 -4.1.3 输出整流滤波电路 .- 28 -4.1.4 fmax、fmin、死区时间设计 .- 28 -4.2 saber 仿真结果 .- 29 -4.2.1 满载 .- 29 -4.2.2 半载 .- 34 -4.2.3 轻载 .- 38

12、-4.2.4 空载 .- 40 -4.3 本章小结 .- 42 -第五章 全文总结及展望 .- 43 -参 考 文 献 .- 44 -致 谢 .- 45 -毕业设计（论文）报告纸- 1 -第一章 引 言1.1 课题背景随着电力电子技术的发展与计算机技术的快速提升，有关 DC/DC 变换器的应用变得很普遍，对于这方面的研究也就多了起来。高效率、高频率是人们社会生活中的 DC/DC 变换器的重要指标。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

13、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 ZVSPWM、恒频ZVSPWM/ ZCSPWM、ZVS PWM 有源箝位、ZVT PWM/ ZCTPWM、全桥移相 ZVSZCSPWM 等。1.2 谐振变换器研究现状1.2.1 移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器如图，输入为直流电压源，T 1、T 2 为超前桥臂，T 3、T 4 为滞后桥臂，D 1 到 D4 为并联二极管，C 1 到 C4 为 4 个开关的寄生电容和外接电容。器件 Lr 是谐振电感（其中变

14、压器漏感归并到谐振电感里）。L f 和 Cf 分别是滤波电感和滤波电容（L r 要尽量的大，这样 If 近似不变）。图 1.1 移相全桥 PWM ZVS DC/DC 变换器它的优缺点：（1）轻载时难以实现零电压开通超前桥臂和滞后桥臂开关管实现 ZVS 的条件不同。两个桥臂上的开关管实现 ZVS 都毕业设计（论文）报告纸- 2 -需要相应的并联谐振电容能量释放为零，二极管自然导通。对于超前桥臂，T2 开通前期间，放电电流较大且恒定不变；另一方面由于变压器原副边有能量传递，原边等效电路中电感很大，故用于实现超前桥臂开关管 ZVS 的能量很大。而滞后桥臂 T3 开通前的期间，一方面谐振电流逐渐变小；

15、另一方面，由于二极管 D5、D6 同时导通，变压器副边被短路，原副边没有能量传递，等效电感大小仅为 Lr，故用于实现滞后桥臂开关管 ZVS 的电感能量较小，滞后桥臂较难于实现 ZVS。（2）整流二极管的反向恢复方面二极管反向恢复问题是变换器电路中的一个比较严重的部份 3。但是在该电路中，由于占空比丢失的原因，使得谐振电感 Lr 不能太大，这样在副边则必需要有滤波电感 Lf。而这样在原边电压反向的时候，就有可能产生 D5、D6 同时导通的情况（同时它们上的电流不能马上降到零），所以二极管反向恢复不是很好。1.2.2 LC 串联谐振变换器通过前面的叙述，本文叙述了基本 PWM ZVS 电路有较大的

16、缺陷。而另外一种用的比较多的变换器是 LC 串联谐振变换器。该变换器的电路图如下图所示 4：图 1.2 LC 串联谐振的电路图和基本 PWM ZVS 电路类似，该电路的全桥整流原理和前文一致，这里就不再叙述了，以免累赘。比起图 1.1，多连了一个电容。该变换器有三种工作状态，一是开关管在时工作处于电流断续状态，开关管为零电流开通、零电压/ 电流关断；二是开关管2rf在 ，这时候电流为连续，开关管关断为 ZCS，但是开通为硬开关；三是工作在rrf它的优缺点：优点毕业设计（论文）报告纸- 3 -（1）因为有谐振电容 Cr 的存在，可以起到隔直的作用，又可以防止变压器饱和。（2）和前一种电路相比，它

17、在轻载时具有更高的效率。缺点变换器在轻载的时候，输出不具有可调性。1.2.3 LC 并联谐振变换器和串联 LC 变换器作比较，这里也给出了并联谐振的简略介绍 6。和串联不同的是 Lr 和Cr 为串联连接，C r 与变压器并联连接，变压器是一般理想变压器，不计损耗。为了使MOSFET 实现 ZVS，它的工作频率必需比谐振频率大，这也是一个较大的缺点。与串联 LC变换器相比，它的工作范围太小，只需要稍稍改动一点开关频率，输出电压就有很大的变动。并且，当它工作在空载时，电路中能量较大，实际中需要较粗的电源线，浪费较大 7。主电路图如图 1.3 所示：图 1.3 并联 LC DC/DC 变换器它的优缺

18、点：优点：（1）当工作频率大于谐振频率时，与前面的相比能够比更好的实现 ZVS。（2）对滤波电容 Cf 的要求较小。（3）输入的范围与前面几种电路相比要大一些。缺点：（1）在前文中已经简单交代过，当负载阻值较小时，电路中循环能量很大。（2）为了使输出相对的稳定，需要一个很大的滤波电感。1.2.4 LCC 串并联谐振变换器图 1.4 是它的电路图。和前面几种电路相比，它的谐振部分有 3 个电器元件。因为这类结构，它可以拆分为一个串联 LC 电路和一个并联 LC 电路，与前面几种相比，相当于同时拥有了这两种电路的优点，但同时，有些缺点也继承了过来。毕业设计（论文）报告纸- 4 -图 1.4 串联

19、LCC 谐振变换器的拓扑图全桥 LCC 串并联谐振变换器有三个运行模式。一是电容电压连续模式，这种模式下，需要开关频率工作在 的范围内 8。并联谐振电容 Cr2 上的电压是连续的，相应rrff较好的是这时 MOSFET 实现了 ZVS。第三种是电容电压断续运行模式，这时 MOSFET 工作在 ，电路呈感性，开关管能较好的运行。结合上面的叙述，变换器最好工作在rf它的优缺点：优点：（1）在大多时候能够很好地实现 ZVS，减小耗损。（2）谐振电流是随着负载的变化而变化的，所以有较高的效率，同样减小耗损。缺点：（1）开关的工作频率范围太小 9。（2）负载阻值较小时中间变换部份电流大，这样线路上的能量

20、也很大。（3）变压器的漏感不能参与到谐振中来。1.3 本文的主要内容本文分为以下 6 章：第一章：移相全桥电路、改进后的 LC 并联谐振电路、改进后的 LC 串联谐振电路和LCC 串并联谐振变换器，文中给出了各个变换器的拓扑图和简介。第二章：LLC 电路的介绍和 LLC 主电路的工作原理。详细地介绍了 LLC 的优点及其稳态工作区，建立模型并且叙述了工作过程。毕业设计（论文）报告纸- 5 -第三章：LLC 变换器闭环的设计以及控制电路元器件（UC3861 ）的介绍。第四章：仿真参数的设计和 saber 仿真结果的讨论。本文采用 saber 仿真软件进行仿真验证，并且在论文最后给出了仿真得到的波形。第五章：总结了本文已经完成的工作，并提出不足之处，确定了今后继续研究的方向。