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LLC谐振式变换器的滑模控制策略研究

作　者: 刘秦维
导　师: 马皓
学　校: 浙江大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: LLC谐振变换器滑模控制输入/输出反馈线性化动态响应
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 22次
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内容摘要

LLC谐振式变换器可以实现宽输入电压范围内原边开关管的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS),负载适应能力强,具有高效率、高功率密度、低电磁干扰等优点,在工业电源和消费电子领域都得到了广泛的应用。随着产品性能的不断提高,对于LLC变换器动态性能的要求也越来越高。然而,LLC谐振变换器存在动态特性漂移问题,同时光耦的时变寄生电容和自身非线性特性也对控制器的设计也带来了很大的挑战。本文提出了一种新颖的离散脉冲频率调制方式,成功地将滑模变结构控制应用于LLC谐振变换器,可以有效地增强系统鲁棒性,大幅度提高LLC变换器的动态性能。首先基于扩展描述函数方法对LLC谐振变换器进行小信号建模和分析,并给出详细的数学推导过程。通过理论计算和仿真结果比较,验证了扩展描述函数模型的稳态精度和动态跟踪性能。基于扩展描述函数模型,采用输入/输出反馈线性化方法设计系统滑模控制方程,可以实现特定的输出电压响应,并且能够得到包含输出电压变量的线性化子系统。利用传统线性系统的分析方法,验证系统的稳定性条件,给出了滑模控制参数的设计流程。最后分别搭建了基于滑模控制和PI控制的实验样机平台,验证滑模变结构控制方案的可行性,给出了系统的稳态运行波形和输出电压稳态精度。通过与PI控制实验样机对比,证明了滑模控制方案优良的动态响应性能。对于输出电压纹波要求较高的应用场合,提出了输出电压微分近似方法,有效地降低输出电压纹波,同时仍能够保持滑模控制的快速动态响应特性。LLC变换器的滑模控制方案能够大幅度地提高系统的动态响应速度,适用于动态性能要求较高的应用场合,文中提出的模型、设计思路和控制方法对于LLC变换器动态性能的研究具有一定意义。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
第一章绪论  10-17
  1.1 LLC谐振式变换器的研究意义  10-12
  1.2 LLC谐振式变换器的动态特性  12-16
  1.3 本课题研究意义及主要内容  16-17
第二章 LLC谐振式变换器小信号建模  17-27
  2.1 LLC变换器小信号建模方法概述  17-19
    2.1.1 离散时域分析法  17-19
    2.1.2 扩展描述函数法  19
  2.2 基于扩展描述函数方法的小信号模型  19-23
    2.2.1 非线性微分状态方程组  19-20
    2.2.2 扩展描述函数  20-21
    2.2.3 谐波平衡原理  21-22
    2.2.4 小信号分析模型  22-23
  2.3 模型的验证与分析  23-26
    2.3.1 稳态精度  23-24
    2.3.2 动态响应  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 LLC谐振式变换器滑模控制策略  27-39
  3.1 滑模变结构控制方法概述  27-28
  3.2 离散脉冲频率调制  28-29
  3.3 输入/输出反馈线性化方法  29-33
    3.3.1 滑模面控制方程  30-31
    3.3.2 输入/输出反馈线性化  31-33
  3.4 系统稳定性和参数设计  33-37
    3.4.1 系统稳定性分析  33-34
    3.4.2 滑模控制参数设计  34-36
    3.4.3 离散开关频率设计  36-37
  3.5 输出电压微分近似方法  37-38
  3.6 本章小结  38-39
第四章实验平台硬件电路设计  39-52
  4.1 LLC谐振变换器主电路设计  39-41
    4.1.1 谐振网络参数设计  39-40
    4.1.2 元器件应力分析  40-41
  4.2 控制电路设计  41-45
    4.2.1 离散频率信号  41-42
    4.2.2 过零点切换  42-43
    4.2.3 频率分相及死区产生电路  43-44
    4.2.4 软启动电路  44
    4.2.5 隔离及保护电路  44-45
  4.3 信号调理电路  45-48
    4.3.1 峰值检波器  46
    4.3.2 比例、积分、微分环节  46-47
    4.3.3 滞环比较器  47-48
  4.4 磁性元件设计  48-51
    4.4.1 谐振电感设计  48-50
    4.4.2 变压器设计  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第五章实验结果与分析  52-66
  5.1 控制电路测试结果  53-54
  5.2 系统稳态测试结果  54-57
    5.2.1 PSIM闭环仿真模型  54-55
    5.2.2 闭环稳态实验波形  55-56
    5.2.3 输出电压调整率  56-57
  5.3 系统动态测试结果  57-65
    5.3.1 PI控制对比实验样机  58-60
    5.3.2 输入电压跳变动态响应  60-61
    5.3.3 负载跳变动态响应  61-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章总结与展望  66-67
  6.1 总结  66
  6.2 展望  66-67
参考文献  67-71
附录  71-75
  附录一实验样机原理图  71-73
  附录二有源箝位、副边倍压电流型推挽变换器输入电感设计文档  73-75
作者简历及在学期间所取得的科研成果  75

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