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基于LLC谐振电路的高效率AC/DC变换技术研究

作　者: 羊绛军
导　师: 贲洪奇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: AC/DC变换功率因数校正高效率 LLC谐振电路单周期控制
分类号: TM461.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 171次
引　用: 2次
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内容摘要

随着电力电子技术的飞速发展,高频开关电源由于其诸多优点已经广泛深入到国防、工业、民用等各个领域,与人们的工作、生活密切相关,由此引发的电网谐波污染也越来越受到人们的重视,对其性能、体积、效率、功率密度等的要求也越来越高。因此,研究具有高功率因数、高效率的AC/DC变换技术,对于抑制谐波污染、节约能源及实现绿色电能变换具有重要意义。通过分析目前功率因数校正(PFC)技术与直流变换(DC/DC)技术的研究现状,采用了具有两级结构的AC/DC变换技术,对PFC控制技术、直流变换软开关实现等内容进行了研究。前级PFC部分采用先进的单周期控制技术,通过对其应用原理、稳定性与优势性能的研究,实现了主电路及控制电路的参数设计与优化,简化了PFC控制电路结构。根据控制电路特点与系统环路稳定性要求,完成了电流环路与整个控制环路设计,确保了系统稳定性,提高了系统动态响应。通过建立电路闭环仿真模型,验证了单周期控制抑制输入电压与负载扰动的优势性能及连续功率因数校正的优点,优化了电路参数。后级直流变换主电路采用LLC谐振拓扑,通过变频控制使直流变换环节具有软开关特性。分析了不同开关频率范围内电路工作原理,并建立了基波等效电路,采用基波分析方法对LLC谐振电路的电压增益特性、输入阻抗特性进行了研究,确定了电路软开关工作范围。以基波分析结果为基础进行了合理的电路参数优化设计,保证了直流变换环节在全输入电压范围、全负载范围内能实现桥臂开关管零电压开通(ZVS),较大范围内副边整流二极管零电流关断(ZCS),并将谐振电路中的电压电流应力降到最小,极大的提高了系统效率。同时,为了提高系统功率密度,选择了优化的磁性元器件结构,实现了谐振感性元件与变压器的磁性器件集成,大大减小了变换电路的体积。在理论研究与参数设计的基础上,搭建了实验样机,分别对PFC部分和DC/DC部分进行了实验验证与结果分析。经实验验证,AC/DC变换电路功率因数在0.988以上,直流变换电路能实现全范围软开关,实现了高效率AC/DC变换。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题背景及研究的目的意义  10-11
  1.2 功率因数校正控制策略  11-15
    1.2.1 电流峰值控制  11
    1.2.2 电流滞环控制  11-12
    1.2.3 平均电流控制  12-13
    1.2.4 单周期控制  13-14
    1.2.5 无差拍控制  14
    1.2.6 滑模变结构控制  14-15
  1.3 DC/DC 变换拓扑研究现状  15-19
    1.3.1 有源箝位正激变换器  15-16
    1.3.2 不对称半桥变换器  16
    1.3.3 移相全桥变换器  16-17
    1.3.4 常用谐振变换器  17-18
    1.3.5 LLC 谐振变换器  18-19
  1.4 主要工作及研究内容  19-20
第2章基于单周期控制的PFC 电路分析与设计  20-35
  2.1 单周期控制基本理论  20-21
  2.2 单周期控制的PFC 电路性能分析  21-24
    2.2.1 单周期控制PFC 电路原理与实现  21-23
    2.2.2 稳定性分析  23-24
  2.3 PFC 主电路参数设计  24-26
    2.3.1 输入高频滤波电容设计  24
    2.3.2 升压电感设计  24-26
    2.3.3 输出滤波电容选择  26
  2.4 控制电路设计  26-31
    2.4.1 电流环与电流检测设计  26-27
    2.4.2 控制环路设计  27-31
  2.5 电路仿真模型建立与分析  31-34
    2.5.1 功率因数校正仿真分析  31-32
    2.5.2 优势性能分析  32-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章 LLC 谐振电路的工作原理与特性分析  35-51
  3.1 主电路结构  35
  3.2 LLC 谐振电路工作原理及波形  35-40
    3.2.1 f_r>f_s>f_m 时工作原理  36-37
    3.2.2 f_s＝f_r 时工作原理  37-39
    3.2.3 f_s>f_r 时工作原理  39-40
  3.3 LLC 谐振电路特性分析  40-50
    3.3.1 基于FHA 的等效电路  41-42
    3.3.2 直流电压增益特性  42-45
    3.3.3 输入阻抗特性  45-48
    3.3.4 变换器参数对特性的影响  48-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章 LLC 谐振电路的电路实现与设计  51-61
  4.1 谐振电路参数计算  51-55
    4.1.1 软开关ZVS 条件确定  51-53
    4.1.2 谐振电路参数计算  53-55
  4.2 功率元件设计与选择  55-58
    4.2.1 副边整流结构选择  55-56
    4.2.2 变压器的特殊设计  56-57
    4.2.3 功率元器件选择与设计  57-58
  4.3 辅助电路设计  58-60
    4.3.1 电流检测与过流保护  58-59
    4.3.2 反馈补偿环节设计  59-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章实验结果与分析  61-72
  5.1 引言  61
  5.2 功率因数校正级实验结果与分析  61-65
  5.3 DC/DC 级实验结果与分析  65-70
    5.3.1 原边开关波形  65-68
    5.3.2 副边二极管实验波形  68-69
    5.3.3 输出电压实验波形  69
    5.3.4 间歇模式实验波形  69-70
  5.4 整机性能分析  70-71
  5.5 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间发表的学术论文  76-78
致谢  78

基于LLC谐振电路的高效率AC/DC变换技术研究

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