諧振DCDC變換器的研究

1、摘要本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（諧振DC/DC變換器的研究）*燕 山 大 學(xué)2012年 6月 摘 要一般說(shuō)來(lái)直流變換器工作時(shí)采用PWM控制方式，此時(shí)開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，使變換器效率降低，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。諧振變換器就是直流開(kāi)關(guān)電源中軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一類。諧振變換器的較成熟的研究成果包括串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器。串聯(lián)諧振變換器由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。本次設(shè)計(jì)就是基于此優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。本次設(shè)計(jì)中研究的主電路內(nèi)容包括全橋逆變電路、LC串聯(lián)諧振電路、變壓器環(huán)節(jié)、橋式整流、濾波電路?？刂齐娐愤x用移相控制。本文通過(guò)對(duì)串聯(lián)諧振型全橋變換器的分析，詳細(xì)介

2、紹了串聯(lián)諧振全橋變換器的工作原理，通過(guò)等效電路的建模方法，對(duì)串聯(lián)諧振型高頻變換器行了數(shù)學(xué)模型分析及閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)； 變換器在串聯(lián)諧振槽能量瞬時(shí)值控制的方式下，所有的功率開(kāi)關(guān)管均可以工作在零開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且零開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)不受負(fù)載大小及特性的影響；同時(shí)串聯(lián)諧振變換器具有理想電壓源特性，輸入輸出側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)電氣隔離。 本文在完成以上工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了PSIM仿真，給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了電路工作原理分析的正確性。關(guān)鍵詞：串聯(lián)諧振；DC/DC；全橋逆變；橋式整流；移相控制I 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AbstractGenerally speaking, dc converter uses P

3、WM control mode at work, this time switch tube works in a hard switching condition, it will produce switching loss made converter works at low efficiency. Soft switching technology arises at the moment. Resonant converter is one kind of soft switch technology in dc switch power.The more mature resea

4、rch results in Resonant converters are Series resonant converters and Parallel resonant converters. Series resonant converters is widely applied in practical production because of the converter circuit structure is simple, easy control and so on. The design is based on this advantage of the Series r

5、esonant converters.In this paper the design of the main circuit include the whole bridge inverter circuits, LC series resonant circuit, transformer link, bridge rectifier and filter circuit. Control circuit choose phase shifting control. The mathematical model is built in the way on equivalent circu

6、it, and the parameters design of the closed-loop is completed. In the stability research of the DC distributed system, the factors influencing the input impedance and the output impedance of the series resonant DC/DC bi-direction converter are analysed. The power flow direction is judged by the volt

7、age difference among DC distributed buses.In this paper which based on the work is completed the above, the PSIM simulation and the related experimental results are given to verify the correctness of the circuit principle analysis.Keywords: Series resonant; dc/dc; Bridge inverter; Bridge rectifier;

8、Phase shifting controlIII 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)21.2.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的提出21.2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)策略31.2.3 諧振變換器的分類41.3 基本的串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振51.3.1 串聯(lián)負(fù)載諧振51.3.2 并聯(lián)負(fù)載諧振61.3.3 串聯(lián)諧振變換器的等效電阻7本章小結(jié)8第2章 串聯(lián)諧振DC/DC變換器102.1 串聯(lián)諧振變換器的宏模型102.2 串聯(lián)諧振變換器綜述102.3 全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)模態(tài)分析112.4 串聯(lián)諧振變換器的控制方法15本章小結(jié)19第3章 串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型和數(shù)學(xué)分析203.

9、1 串聯(lián)諧振的穩(wěn)態(tài)模型203.1.1 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)模型213.1.2 整流濾波網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)模型223.1.3 串聯(lián)諧振槽路的傳遞函數(shù)233.2 串聯(lián)諧振的數(shù)學(xué)分析24本章小結(jié)29第4章 電路開(kāi)環(huán)與閉環(huán)仿真304.1 電路開(kāi)環(huán)仿真304.2 電路閉環(huán)仿真32本章小結(jié)34結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致謝38附錄139附錄243附錄347附錄453附錄559III第1章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景開(kāi)關(guān)電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用都非常廣泛的電力電子裝置。它具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到各種電子設(shè)備的青睞。開(kāi)關(guān)電源成為

10、現(xiàn)代電子系統(tǒng)不可缺少的組成部分，其開(kāi)關(guān)頻率正不斷提高，其技術(shù)性能直接影響到各種電子設(shè)備的使用和發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源的核心部分是功率變換器。目前，隔離型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有正激式、反激式、推挽式和諧振式等。其中諧振式變換器具有效率高、輸出紋波小、濾波簡(jiǎn)單、負(fù)載可調(diào)范圍大等特點(diǎn)。諧振變換器是由開(kāi)關(guān)管加上諧振LC電路構(gòu)成的，它是流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流變?yōu)檎也ǘ皇欠讲?。然后設(shè)法使開(kāi)關(guān)管在正弦電流過(guò)零處導(dǎo)通和關(guān)斷，從而大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，相對(duì)硬開(kāi)關(guān)PWM變換器，具有開(kāi)關(guān)頻率高、關(guān)斷損耗小、效率高、重量輕、體積小、開(kāi)關(guān)應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。所以，研究諧振變換器對(duì)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展有很大的意義?，F(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨

11、勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求1。通常，濾波電感、電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例。因此必須設(shè)法降低他們的體積和重量，才能達(dá)到裝置的小型化、輕量化。從“電路” 的有關(guān)知識(shí)中可以知道，提高工作效率可以減小繞組匝數(shù)或者鐵芯尺寸，從而使變壓器小型化2。因此裝置小型化、輕量化最直接的途徑就是電路的高頻化。但在提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)隨之增加,電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾也增大了，所以簡(jiǎn)單的提高開(kāi)關(guān)頻率是不行的.針對(duì)這些問(wèn)題出現(xiàn)了以諧振為主的輔助換流手段即軟開(kāi)關(guān)技術(shù),解決了電路中的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題，使開(kāi)關(guān)頻率可以大大幅提高.1.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)1.

12、2.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的提出在直流變換器工作中一般采用PWM控制方式，開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)（Hard switching）狀態(tài)。圖1.1是開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓和電流波形。由于開(kāi)關(guān)管不是理想元件，在開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)管的而典雅不是立即下降為零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，電壓和電流會(huì)有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，稱其為開(kāi)通損耗（Turn-on loss）。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是，開(kāi)關(guān)管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有一個(gè)上升時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即下降到零，也有一個(gè)下降時(shí)間。在這段時(shí)間中電壓和電流又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗稱其為關(guān)斷損耗（Turn-o

13、ff loss）。我們將開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗共稱為開(kāi)關(guān)損耗（Switching loss）3。在一定條件下，開(kāi)關(guān)管在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的開(kāi)關(guān)損耗是恒定的，變換器的總開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，開(kāi)關(guān)頻率越高，總的開(kāi)關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開(kāi)關(guān)損耗的存在限制了變換器開(kāi)關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高和，從而產(chǎn)生大的電磁干擾。圖1.1 開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓電流波形1.2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)策略為了減小變換器的體積和重量，必須實(shí)現(xiàn)高頻化。要提高開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)提高變換器的變換效率，就必須減小開(kāi)關(guān)損耗。減小開(kāi)關(guān)損耗的途徑就是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)（Soft swi

14、tching）,因此軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。圖1.2給出了開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的波形圖。圖1.2 開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的波形圖從前面的分析可以知道，開(kāi)關(guān)損耗包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。減小開(kāi)通損耗有以下方法：在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，使其電流保持在零，或者限制電流的上升率，從而減小電壓和電流的交疊區(qū)，即所謂的零電流開(kāi)通。從圖1.2（a)可以看出，開(kāi)通損耗大大減小。在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前使其電壓下降到零，即零電壓開(kāi)通。從圖1.2（b）看出，開(kāi)通損耗基本減小到零。同時(shí)做到和，在這種情況下，開(kāi)通損耗為零。同理，減小關(guān)斷損耗有以下幾種方法：在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前使其電流下降到零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。從圖1.2（a）看出，關(guān)斷損耗基本為零。在開(kāi)關(guān)管

15、關(guān)斷時(shí)，使其電壓保持在零，或者減小電壓的上升率，以此來(lái)減小電壓電流的交疊區(qū)，即為零電壓關(guān)斷。從圖1.2（b）可看出，關(guān)斷損耗大大減小。同時(shí)做到和，此情況下關(guān)斷損耗為零。1.2.3 諧振變換器的分類變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電感和電容的來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)軌跡來(lái)進(jìn)行整形，最早的方法是利用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。從能量的角度來(lái)說(shuō)，它是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路消耗掉，從而改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件。這種方法沒(méi)有使開(kāi)關(guān)管的變換效率提高，甚至還有可能下降。目前研究的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，而是真正減小開(kāi)關(guān)損耗，而不是損耗的轉(zhuǎn)移。直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)一般分為以下幾類：全諧振型變換器，一般稱之為諧振變換器（

16、Resonant converters）。該類變換器實(shí)際上是負(fù)載型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器(Series resonant converters,SRCs）和并聯(lián)諧振變換器(Parallel resonant converters,PRCs）兩類。按負(fù)載與諧振電路的連接方式，諧振變換器可分為兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載（或串聯(lián)輸出）諧振變換器（Series load resonant converters,SLRCs）；另一類是負(fù)載與諧振回路并聯(lián)，稱為并聯(lián)負(fù)載（或并聯(lián)輸出）諧振變換器(Parallel load resonant converters

17、,PLRCs）。在諧振變換器，諧振元件一直工作，參與能量變換的全過(guò)程。該變換器與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。準(zhǔn)諧振變換器（Quasi-resonant converters,QRCs）和多諧振變換器(Multi-resonant converters,MRCs)這類變換器的特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某個(gè)階段而不是全程。零開(kāi)關(guān)PWM變換器（Zero switching PWM converters）。該類變換器是在QRCs的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管，來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即PWM控制。與QRCs不同的是，諧振元件的諧振工作時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期相比很

18、短，一般為開(kāi)關(guān)周期的1/10到1/5。零轉(zhuǎn)換PWM變換器（Zero transition converters）。這類變換器的特點(diǎn)是工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)工作一段時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，其他時(shí)間停止工作，這樣輔助諧振電路的損耗很小?？傊?，在本次設(shè)計(jì)中，采用的是全諧振變換器中的串聯(lián)負(fù)載諧振變換器。逆變器環(huán)節(jié)采用的是全橋逆變器，整個(gè)電路工作在恒定頻率下。1.3 基本的串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振1.3.1 串聯(lián)負(fù)載諧振在圖1.3中，負(fù)載電阻串聯(lián)在諧振回路中，輸入電源為正弦交流電，那么諧振電感電流也為交流，其中為輸入電源的角頻率，為輸入電源的頻率。表示諧振角頻率，諧振頻率；是諧

19、振電感和諧振電容的特征阻抗。圖1.3從輸入電壓向右看去，諧振回路的阻抗為： （1.1）阻抗的模和相角 分別為： （1.2） （1.3） （1.4）圖1.4給出了回路阻抗的模和相角與電源頻率的關(guān)系曲線。從中可以看出，當(dāng)電源頻率等于諧振頻率時(shí)，回路阻抗=，=0；當(dāng)電源頻率低于諧振頻率，諧振回路呈容性，0，諧振電感電流超前于電源電壓；當(dāng)電源頻率高于諧振頻率時(shí)，諧振回路呈感性，0,諧振電感電流滯后于電源電壓3。品質(zhì)因數(shù)是表示諧振回路特性的重要參數(shù)： （1.5）負(fù)載阻抗不變，特征阻抗越大，品質(zhì)因數(shù)越好。電源頻率少許偏離諧振頻率，回路阻抗的模就會(huì)顯著增大。1.3.2 并聯(lián)負(fù)載諧振圖1.5是具有負(fù)載電阻的并

20、聯(lián)諧振電路，輸入電流源為正弦交流電，諧振電容電壓也為交流電，其中為輸入電源的角頻率，為輸入電源的頻率。圖1.5從輸入電流向右看過(guò)去，諧振回路的阻抗為； （1.6）阻抗的模和相角分別為； （1.7） （1.8） （1.9）品質(zhì)因數(shù)定義為： （1.10）圖1.5給出了回路阻抗的模和相角與電源頻率的關(guān)系曲線。從中可以看出，當(dāng)電源頻率等于諧振頻率時(shí)，回路阻抗相當(dāng)大，=0，電路呈阻性；當(dāng)電源頻率低于諧振頻率時(shí)，減小，相角小于零，諧振電容電壓超前于電流源，諧振回路呈感性；當(dāng)電源頻率高于諧振頻率時(shí)，也減小，相角也小于零，諧振電容電壓滯后于電流源，諧振回路呈容性。 1.3.3 串聯(lián)諧振變換器的等效電阻諧振變換

21、器是依靠改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作頻率來(lái)改變輸出量的，因此可以說(shuō)諧振變換是一種變頻控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而對(duì)于PWM來(lái)說(shuō)，由于它屬于一種非線性、離散的系統(tǒng)，很難較為精確地建立它的數(shù)學(xué)模型并得到其穩(wěn)態(tài)解，經(jīng)典的控制理論更是不適用。所以，在傳輸能量的計(jì)算方面PWM是靠平均值來(lái)給定，而諧振則是靠“基波”來(lái)傳輸?shù)?。串?lián)諧振變換器使用容性濾波輸出，因此用電流源驅(qū)動(dòng)整流器來(lái)計(jì)算負(fù)載等效至逆變器電路中的電阻值。利用基波分析法讓一個(gè)方波電壓通過(guò)整流器，電路如下圖：圖1.6在圖中利用基波分法可得： （1.11） （1.12） （1.13） （1.14） 綜合以上關(guān)于串聯(lián)負(fù)載諧振和并聯(lián)負(fù)載諧振的比較介紹，在本次設(shè)計(jì)中選用串聯(lián)負(fù)

22、載諧振變換器。第一：由于串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)計(jì)方便，體積和成本較小等優(yōu)點(diǎn)；第二：串聯(lián)負(fù)載諧振變換器的控制理論較為成熟，且其工作范圍頻率寬、開(kāi)關(guān)頻率高的缺點(diǎn)也可以通過(guò)改變控制方式克服。第三：對(duì)諧振電路而言，品質(zhì)因數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)。品質(zhì)因數(shù)越大，電路對(duì)非諧振頻率電流的抑制能力越強(qiáng)，電路的選擇性就越好。而且在負(fù)載阻抗不變的情況下，特征阻抗的值越大，品質(zhì)因數(shù)越好。從圖1.4中就可以看出串聯(lián)負(fù)載諧振變換器符合這種情況。綜上所述，本次設(shè)計(jì)主要介紹基于串聯(lián)負(fù)載諧振變換器的有關(guān)知識(shí)。本章小結(jié)本章首先介紹了現(xiàn)代電力電子器件發(fā)展的總趨勢(shì)是小型化，輕量化，一般的直流變換器采用屬于硬開(kāi)關(guān)的PWM控制，使開(kāi)

23、關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗無(wú)法避免，進(jìn)而使得變換器的開(kāi)關(guān)頻率受到限制且變換器的效率隨之下降。其次，隨著軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，因其能有效減小開(kāi)關(guān)損耗提高變換器的工作效率而受到廣泛應(yīng)用。其中諧振變換器更是其中應(yīng)用更為廣泛的一類軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。再次，本章中通過(guò)比較諧振變換器中兩類成熟的研究成果：串聯(lián)負(fù)載諧振變換器和并聯(lián)負(fù)載諧振變換器優(yōu)缺點(diǎn)。最后確定本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究對(duì)象時(shí)串聯(lián)負(fù)載諧振變換器。73 第2章 串聯(lián)諧振DC/DC變換器 第2章 串聯(lián)諧振DC/DC變換器2.1 串聯(lián)諧振變換器的宏模型 諧振變換器實(shí)際上就是指負(fù)載諧振變換器,負(fù)載諧振變換器出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)70年代。此類變換器是通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)PWM變換器結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)

24、單的增加諧振網(wǎng)絡(luò)的方法而得到的。負(fù)載諧振變換器通過(guò)在諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振，使流過(guò)開(kāi)關(guān)元件的電流被整形為正弦波或準(zhǔn)正弦波，開(kāi)關(guān)元件在電流或電壓的過(guò)零處開(kāi)通或關(guān)斷，以此實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)過(guò)程，負(fù)載通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)與變換器相連，諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的諧振電壓或電流通過(guò)整流濾波環(huán)節(jié)加在負(fù)載上，流向負(fù)載的功率大小由諧振槽阻抗來(lái)決定，此阻抗又由開(kāi)關(guān)器件的工作頻率和諧振頻率之比決定。變換器中的LC諧振網(wǎng)絡(luò)元件參與能量轉(zhuǎn)換的全過(guò)程。下圖為諧振電路宏模型:圖2.12.2 串聯(lián)諧振變換器綜述 在DC/DC變換器中，諧振技術(shù)是實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的重要方式，其利用電感和電容組成諧振網(wǎng)絡(luò)，使開(kāi)關(guān)器件在電壓或電流過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟

25、開(kāi)關(guān)。而且功率諧振變換器的傳輸電流呈正弦波，這很有利于改善系統(tǒng)的電磁兼容性，人們已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了大量研究，提出了很多控制方法，控制理論相對(duì)成熟。諧振網(wǎng)絡(luò)是諧振變換器的核心部分，通常由幾個(gè)無(wú)緣電感和電容組成6。本次設(shè)計(jì)采用的是一個(gè)電感和一個(gè)電容串聯(lián)的諧振形式。所謂串聯(lián)諧振即變換器的負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)。本次設(shè)計(jì)采用全橋開(kāi)關(guān)逆變器、串聯(lián)諧振、變壓器、橋式整流以及電容濾波電路組成。主電路圖如下：圖2.2在電路結(jié)構(gòu)中，串聯(lián)諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)具有電流源的性質(zhì)，其輸出量為諧振電流，所以需要采用電壓源型輸出濾波器，即只需接一個(gè)電容C來(lái)進(jìn)行濾波。和各種負(fù)載型DC/DC變換器一樣，串聯(lián)諧振DC/DC變換器也是由

26、變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)從開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出交流能量中取出基波及有效成分，經(jīng)過(guò)整流濾波后傳遞給負(fù)載。根據(jù)這一特性，可將串聯(lián)諧振變換器結(jié)構(gòu)分解為三大功能模塊：輸入逆變電路模塊，串聯(lián)諧振變換器核心諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出整流濾波電路模塊。一個(gè)有效合理的串聯(lián)諧振變換器必須具備這三個(gè)部分的功能模塊。才能正常發(fā)揮電路變換的作用。2.3 全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)模態(tài)分析在全橋電路中，斜對(duì)角的兩只開(kāi)關(guān)管VS1和VS4、VS2和VS3同時(shí)開(kāi)通或者關(guān)斷，VS1和VS4與VS2和VS3也為互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)VS1和VS4同時(shí)導(dǎo)通，AB兩點(diǎn)電壓，當(dāng)VS2和VS3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，因此說(shuō)AB兩點(diǎn)間電壓為一個(gè)幅值為、寬的交流方波電壓。即全橋電路的幅值和極性與

27、開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)情況有關(guān)。由于濾波電容比較大，所以輸出電壓是一個(gè)平滑的直流電壓。當(dāng)諧振電感電流為正時(shí)，整流電路中的二極管D1和D4導(dǎo)通，給負(fù)載供電，輸入整流回路的電壓，當(dāng)為負(fù)時(shí)整流二極管D2和D3導(dǎo)通，給負(fù)載供電，。因此說(shuō)輸入整流回路的電壓是一個(gè)幅值為、的交流方波電壓。高頻逆變橋采用移相控制，控制原理為：令兩個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管按導(dǎo)通角交替工作，控制VS1和VS4之間的相位角即有效占空比改變，從而可控制加載諧振網(wǎng)絡(luò)兩端的輸入電壓的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。本次設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)頻率恒定，因此移相控制又稱為占空比控制，令逆變橋的高于諧振頻率，諧振槽呈現(xiàn)感性，諧振電流滯后于，從而使開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)

28、，降低開(kāi)關(guān)損耗。因此分析在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，全橋逆變器有6種開(kāi)關(guān)模態(tài)：VS1VS4VD3VS4VD2VD3VS2VS3VD1VS2VD1VD4。VS1到VS4表示開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VAB為逆變橋輸出電壓iLr為諧振電感電流圖2.3 移相控制串聯(lián)諧振變換器的主要波形圖（a）圖（b）圖（c）圖（d）圖（e）圖（f）(1) 開(kāi)關(guān)模態(tài)1t0-t1在t0時(shí)刻前，諧振電感電流初始值為零（在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)）。t0時(shí)刻開(kāi)通VS1和VS4，由于此時(shí)諧振電流為零，因此，VS1和VS4在零電流下開(kāi)通。諧振電感和電容開(kāi)始發(fā)生諧振，A.B兩端電壓即為輸入電壓（如a圖所示）。(2) 開(kāi)關(guān)模態(tài)2t1-t2在t1時(shí)刻將VS1關(guān)

29、斷，開(kāi)關(guān)管的管壓降忽略不計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。又由于諧振電感中電流不能突變，故電路就會(huì)經(jīng)由VS4VD3Lr.Cr續(xù)流（其中VS2承受反向壓降故不能導(dǎo)通）。A、B兩端電壓為零,在t1時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通VS2。(見(jiàn)b圖)（3） 開(kāi)關(guān)模態(tài)3t2-t3在t2時(shí)刻VS4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被撤除，VS4VD3無(wú)法續(xù)流，但是諧振電感仍存在能量，故電路經(jīng)由VD2VinVD3反饋給電源能量，此時(shí)A、B兩端的電壓與輸入電壓大小相等方向相反。電感中的電流方向使VS2、VS3承受反壓不能導(dǎo)通。（見(jiàn)c圖）（4） 開(kāi)關(guān)模態(tài)4t3-t4t1時(shí)刻時(shí)VS3已經(jīng)被觸發(fā)導(dǎo)通，且t2時(shí)刻時(shí)VS2被觸發(fā)導(dǎo)通。在t1-t3時(shí)刻內(nèi)由于電感中仍有電流續(xù)

30、流分別使VS3、VS2受反向電壓截止，但在t3時(shí)刻電感電流降低為零，同時(shí)VS2、VS3導(dǎo)通，故從電源出發(fā)電流的方向是的VinVS2LCVS3，A、B兩端電壓與電壓大小相等方向相反。電感電流反向增大。（見(jiàn)d圖）（5） 開(kāi)關(guān)模態(tài)5t4-t5t4時(shí)刻導(dǎo)通VS1但其承受二極管反壓故不導(dǎo)通，VS3關(guān)斷此時(shí)電感中仍有電流存在會(huì)經(jīng)由VS2LCVD1續(xù)流，A、B兩端電壓為零。電感電流反向減小。（見(jiàn)e圖）（6） 開(kāi)關(guān)模態(tài)6t5-t0在t5時(shí)刻導(dǎo)通VS4但此時(shí)諧振電感中仍有電流VS2已經(jīng)關(guān)斷所以電流經(jīng)由VD1VinVD4減小反饋給電源，此時(shí)VS1、VS4受反向壓降不能導(dǎo)通，到t0時(shí)刻電感電流減小為零，同時(shí)可VS1

31、、VS4導(dǎo)通，電路進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。（見(jiàn)f圖）2.4 串聯(lián)諧振變換器的控制方法串聯(lián)諧振變換器之所以得到廣泛的應(yīng)用， 一方面是因?yàn)槠渚哂型負(fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)計(jì)方便，具有短路自保護(hù)特性，體積和成本較小等優(yōu)點(diǎn)，另一方面是由于其控制理論較為成熟，而串聯(lián)諧振變換器在輕載或空載時(shí)，變換器工作頻率范圍寬、開(kāi)關(guān)頻率高的缺點(diǎn)也可以通過(guò)改進(jìn)控制方式來(lái)克服的。當(dāng)串聯(lián)諧振變換器用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)時(shí)， 從前面對(duì)工作原理的分析可以看到，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷或開(kāi)通時(shí)刻會(huì)或多或少地受到諧振模式的約束，因而只能控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)刻，這樣一來(lái)，串聯(lián)諧振變換器對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)刻的控制就比硬開(kāi)關(guān)控制減少了一個(gè)自由度， 所以其

32、控制較為復(fù)雜。目前，串聯(lián)諧振變換器常用的控制方法有：變頻控制，調(diào)幅控制，脈沖密度控制，移相控制等。針對(duì)傳統(tǒng)控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，人們還將兩種控制方式組合后進(jìn)行了研究，提出了一系列復(fù)合型的控制方法。而隨著人們對(duì)串聯(lián)諧振變換器工作特性的深入認(rèn)識(shí)和控制理論的進(jìn)一步發(fā)展， 近年來(lái)又出現(xiàn)了很多新的控制方法，如自持振蕩控制和自持振蕩移相控制等。下面將介紹幾個(gè)典型的控制方式。變頻控制(Variable Frequency，VF)是用于串聯(lián)諧振變換器的一種較為常規(guī)的控制技術(shù)。 由于串聯(lián)諧振回路阻抗隨著逆變器的工作頻率的變化而變化，此控制方法就是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率從而改變諧振回路阻抗，來(lái)達(dá)到調(diào)壓的目的。變頻控制原理簡(jiǎn)

33、單，易于實(shí)現(xiàn)，其電磁干擾小，但是暫態(tài)響應(yīng)很差，變換器的工作頻率在調(diào)節(jié)過(guò)程中不斷變化且變化范圍較大， 因此不利于磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)不利于提高變換器的功率密度和效率，而且工作頻率的變化導(dǎo)致集膚深度也隨之而改變，在某些要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合中是不允許的。 調(diào)幅控制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓源的輸出電壓，即開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。在串聯(lián)諧振變換器中，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓來(lái)調(diào)節(jié)逆變器的輸出功率，同時(shí)通過(guò)功率因數(shù)校正技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓和電流之間的相位控制，以保證變換器具有較大的功率因數(shù)。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較

34、大，不利于提高系統(tǒng)功率密度。 調(diào)幅控制的應(yīng)用方式較為靈活， 既可以在串聯(lián)諧振變換器的整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒頻控制， 在這種情況下只需要改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)之前的可控整流濾波器的觸發(fā)角就可以改變加在諧振變換器上的電壓值， 達(dá)到穩(wěn)定和調(diào)節(jié)輸出電壓的目的， 而且還可以使用慢啟動(dòng)電路使觸發(fā)角從 0 開(kāi)始逐漸上升以避免開(kāi)機(jī)時(shí)的浪涌電流，又可以與其他控制方法結(jié)合形成混合控制方式，比如在輕載(或空載)時(shí)、或輕載(或空載)且要求輸出電壓為低端輸出電壓時(shí)，使用調(diào)幅控制方式，由于在這兩種情況下均需要大幅度改變工作頻率，而采用調(diào)幅控制可以達(dá)到等效改變變壓器匝比的效果，所以可以以此來(lái)實(shí)現(xiàn)最小負(fù)載條件下的低壓輸出，在其他情況下使

35、用變頻控制方式，這樣就可以使整個(gè)輸出指標(biāo)滿足全輸出電壓范圍2。脈沖密度調(diào)制(Pulse Density Modulation，PDM)可以充分利用由串聯(lián)諧振槽產(chǎn)生的諧振電流過(guò)零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，這種控制方式將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿都固定于諧振電流過(guò)零點(diǎn)處，即只要出現(xiàn)高電平就保持半個(gè)諧振周期，而且高電平是連續(xù)工作的。脈沖密度調(diào)制的基本原理是：首先假設(shè)共有N個(gè)調(diào)節(jié)周期(諧振周期的N倍)，在這N個(gè)調(diào)節(jié)周期中只有M個(gè)周期逆變橋工作(M小于等于N)，向負(fù)載傳輸能量，其余的N-M個(gè)周期內(nèi)逆變橋停止工作，負(fù)載能量將以自然振蕩的形式逐漸衰減，輸出的脈沖密度為M/N，M由輸出電壓或者輸出功率的要求來(lái)決定，由此可得

36、這種控制方法通過(guò)控制脈沖密度，即通過(guò)控制向負(fù)載傳輸能量的時(shí)間來(lái)控制輸出。在脈沖密度調(diào)制模式下，電路的工作頻率基本恒定，開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較小，而且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，比較適合于開(kāi)環(huán)工作場(chǎng)合使用。但是由于調(diào)節(jié)周期的存在，使控制的最小調(diào)節(jié)幅度僅為1/N，表現(xiàn)為有級(jí)調(diào)節(jié)方式，因此調(diào)節(jié)精度較差，調(diào)節(jié)特性不夠理想。而且在功率閉環(huán)的場(chǎng)合中，其工作穩(wěn)定性較差。 移相控制（Phase Shift Modulate，PSM）是僅適用于全橋變換器的一種成熟的控制方式。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用了全橋逆變器因此控制方式采用移相。移相控制方法的基本原理是：每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管以50%的占空比互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通之間相差

37、一個(gè)相位，即所謂的移相角，使得逆變器輸出的正負(fù)交替電壓之間插入一個(gè)零電平，這樣通過(guò)改變移相角的大小就可以改變輸出電壓的脈沖寬度,也就是輸出電壓的有效值。這樣就能最終達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓或者功率的目的。一般說(shuō)來(lái)，移相控制的開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓或者零電流開(kāi)通。由于移相控制采用的是恒頻率控制，因此這種控制方式有效地克服了變頻控制模式下變換器的工作頻率需要大范圍變化的缺點(diǎn)，這就有利于磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于縮小體積和提高功率密度。但是由于兩個(gè)橋臂的電流不平均，當(dāng)輸入電壓變化范圍較大或輕載時(shí)系統(tǒng)就會(huì)失去ZVS條件并且有較大的電磁干擾。圖2.6為控制電路的電路圖。圖2.4 控制電路圖

38、在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，移相控制的基本原理為：通過(guò)兩個(gè)比較器和方波發(fā)生器來(lái)控制與門，進(jìn)而控制RS觸發(fā)器控制MOSFET開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。移相角的大小主要是通過(guò)圖中Vca、Vcb與鋸齒波發(fā)生器的值進(jìn)行比較得到的。PI調(diào)節(jié)器的主要作用即通過(guò)將實(shí)際輸出電壓與理論電壓值進(jìn)行比較來(lái)不斷調(diào)節(jié)輸出電壓值使其趨于穩(wěn)定。控制電路的主要波形圖如下2.5所示。、圖2.5本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)單敘述了本次設(shè)計(jì)的宏模型，它主要包括由全橋逆變器組成的開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)、一個(gè)電感和一個(gè)電容組成的諧振環(huán)節(jié)、高頻變壓器、橋式整流環(huán)節(jié)以及電容組成的濾波環(huán)節(jié)。其次，介紹了在負(fù)載電阻等效至開(kāi)關(guān)和諧振環(huán)節(jié)方向等效電阻的基礎(chǔ)上，分析介紹了在開(kāi)關(guān)頻率略高于

39、諧振頻率的情況下，橋式逆變器的六個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)。最后，本章介紹了諧振變換器的幾種主要的控制方法，它主要包括變頻控制、調(diào)幅控制、脈沖密度控制、以及移相控制。由于在本次設(shè)計(jì)中采用的開(kāi)關(guān)逆變器是全橋逆變器，它的控制電路選用的是發(fā)展較為成熟的移相控制。并在控制敘述的最后附加上了本次設(shè)計(jì)中需要的控制電路圖。第3章 串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型和數(shù)學(xué)分析 第3章 串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型和數(shù)學(xué)分析3.1 串聯(lián)諧振的穩(wěn)態(tài)模型 串聯(lián)諧振變換器是依靠改變開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量的控制的，因此它是一種變頻控制的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。像PWM型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一樣，這種開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是一種強(qiáng)非線性、離散的病態(tài)系統(tǒng)，要精確的建立起

40、數(shù)學(xué)模型并從理論上得到系統(tǒng)的瞬態(tài)解和穩(wěn)態(tài)解是比較難的，更不能用經(jīng)典控制理論來(lái)設(shè)計(jì)控制器用以研究其穩(wěn)定性。因此在傳輸能量方面，PWM是依靠平均值，而諧振變換器則是依靠基波來(lái)傳輸能量的。本次設(shè)計(jì)包括開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)、整流濾波網(wǎng)絡(luò)這三大部分組成。輸入為直流電壓，且提供輸入功率。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)將直流能量變換為交流能量即輸出電壓是一個(gè)方波功率信號(hào)。這個(gè)輸出電壓中含有基波和高次諧波。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓即為諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓信號(hào)。諧振網(wǎng)絡(luò)是具有帶同性質(zhì)的線性網(wǎng)絡(luò)。其傳輸比定義為輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之比。電壓傳輸特性比描述了諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)。如果諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)較高且諧振頻率比較接近開(kāi)關(guān)頻率，那么諧振網(wǎng)絡(luò)的輸出

41、信號(hào)中只有其輸入信號(hào)產(chǎn)生的基波，高次諧波可以忽略，故整流濾波網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)是一個(gè)正弦量，經(jīng)過(guò)整流和較大電容濾波后輸出電壓變?yōu)檩^為平滑的直流電壓。下面介紹諧振變換器的調(diào)節(jié)原理，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，直流輸出電壓達(dá)到最大值；當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率偏離諧振頻率時(shí)，直流輸出量降低，開(kāi)關(guān)頻率偏離諧振頻率越遠(yuǎn)，直流輸出電壓就越低。因此可以看出，諧振變換器是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率和諧振頻率的程度來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的的。圖3.1為串聯(lián)諧振變換器框圖，分析串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型前先做如下假設(shè)：（1） 理想元件。整個(gè)變換器中的所有開(kāi)關(guān)元件均為無(wú)損耗的開(kāi)關(guān)元件，所有無(wú)源元件均為線性元件。（2） 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓是一個(gè)方波脈

42、沖序列。（3） 串聯(lián)諧振變換器的品質(zhì)因數(shù)較大，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率略高于諧振頻率。（4） 低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率。圖3.1 串聯(lián)諧振變換器框圖3.1.1 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)模型當(dāng)開(kāi)關(guān)1、4閉合，2、3打開(kāi)時(shí)，；當(dāng)開(kāi)關(guān)2、3閉合，1、4打開(kāi)時(shí)，。時(shí)域上是一個(gè)方波信號(hào)，頻域上有奇次諧波。因?yàn)橹C振槽路為保證輸出電壓失真小，往往設(shè)置的品質(zhì)因數(shù)較大。除了基波外，其他高次諧波對(duì)諧振槽路的作用不大，所以往往將用基波代替， （3.1）是開(kāi)關(guān)頻率。諧振槽路的電流近似為一個(gè)正弦量，設(shè) （3.2）（一般，開(kāi)關(guān)頻率略大于諧振頻率，電路呈感性，電流滯后于電壓，所以又相位差。）電壓源的輸出電流為。當(dāng)開(kāi)關(guān)1、4閉合，2、3

43、打開(kāi)時(shí)，；當(dāng)開(kāi)關(guān)2、3閉合，1、4打開(kāi)時(shí)，。將傅里葉展開(kāi)后頻譜為偶次諧波，由于輸入為直流電壓，從有功功率的角度出發(fā)，對(duì)于而言，能產(chǎn)生有功功率的只有直流分量。所以可以用直流分量代替 (3.3)圖3.2 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的典型波形開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的典型波形如圖3.2。3.1.2 整流濾波網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)模型由于串聯(lián)諧振電路中的存在，使得整流橋?qū)ń墙茷椋瑸V波電路電容為，所以串聯(lián)諧振電路是對(duì)電流進(jìn)行濾波。諧振槽路輸出電流為。由于低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率，所以 （3.4）當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。將傅里葉展開(kāi)后頻譜為奇次諧波，由于，從有功功率的角度出發(fā)，對(duì)于而言能產(chǎn)生有功功率的只有基波分量，所以可以用其基波分量 （3.

44、5）代替3。這樣從整流濾波網(wǎng)絡(luò)的左邊往里等效為 （3.6）整流濾波網(wǎng)絡(luò)的典型波形如圖3.3所示。圖3.33.1.3 串聯(lián)諧振槽路的傳遞函數(shù)對(duì)諧振槽路而言，輸入電壓源為一個(gè)正弦量，整流網(wǎng)絡(luò)對(duì)他的負(fù)載效應(yīng)可以用一個(gè)線性電阻表示4。因此，諧振槽路為一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，可以用傳遞函數(shù)來(lái)描述。串聯(lián)諧振槽路的傳遞函數(shù)為： （3.7）其中，。綜上，可以得到串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型如圖3.4所示，直流增益為： （3.8） 圖3.4 串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型3.2 串聯(lián)諧振的數(shù)學(xué)分析3.2.1 電壓增益本次設(shè)計(jì)中在諧振槽路后加入了變壓器環(huán)節(jié)如圖3.5所示圖3.5 變壓器 （3.9）則電壓增益有如下： （3.10）對(duì)移

45、相控制而言，電壓增益表示如下： （3.11）又，所以電壓增益又可以表示如下： （3.12）如下圖3.6給出了電壓增益與、的關(guān)系，以及與移相角的關(guān)系。圖3.6（a）圖3.6（b）圖（a）示出當(dāng)移相角等于零即時(shí)，與歸一化頻率（所謂歸一化頻率即指的比值）和的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，當(dāng)固定為某一個(gè)值時(shí)，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率的大小就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。且當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，電壓增益等于一；在相同的頻率點(diǎn)處，負(fù)載越重（所謂負(fù)載重即指負(fù)載消耗電路的功率大，又故電阻阻值?。┘丛叫?，（，電阻減小則品質(zhì)因數(shù)增大）增益隨之減小。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率固定時(shí)，占空比越大，增益越大。(由公式3.11得出)圖（b）表示出的是移相角與電壓增益之間

46、的關(guān)系曲線。移相角的變化范圍是0到。從圖中可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率固定時(shí)，移相角越小，電壓增益越大。（由公式3.12得出）3.2.2 輸入阻抗和諧振電流輸入阻抗為:Error! No bookmark name given. (3.13)上式中；為輸入阻抗的幅值，相角。 由式3.13可知，在處，諧振電路的電抗為零。下圖分別示出了、與歸一化頻率與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系。由于在處電抗為零，故輸入阻抗的模值最小，即最小。同時(shí)，在相同頻率下，負(fù)載越輕（指負(fù)載消耗的功率小，電路阻值大），越大。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率諧振頻率時(shí)，相角小于零，表示諧振電路呈容性，反之電路呈感性4。在本次設(shè)計(jì)中，采用的是電路呈感性的情況，即開(kāi)關(guān)頻率大

47、于諧振頻率。圖3.7 、與歸一化頻率與品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系3.2.3 輸入、輸出有功功率根據(jù)穩(wěn)態(tài)模型，為的基波分量，即 （3.14)若開(kāi)關(guān)頻率大致等于諧振頻率，則諧振電路對(duì)高次諧波的阻抗非常大，因此諧振電感電流的近似正弦量為：。根據(jù)公式可得，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí) ，最大，且負(fù)載越重，越大。當(dāng)移相角等于零時(shí)，變換器的輸入電流為 （3.15）根據(jù)如上公示則可得出輸入和輸出功率如下： （3.16） （3.17）3.2.4 電容電壓、電感電壓峰值功率開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓是，其最大的電流等于的最大值，即。電容電壓峰值為： （3.18）電感電壓的峰值為： （3.19）上式中的。本章小結(jié)本章中主要介紹了兩大內(nèi)

48、容串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型和數(shù)學(xué)分析。串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)模型主要包括開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)全橋逆變器的穩(wěn)態(tài)模型以及整流濾波環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)模型。從整個(gè)電路的穩(wěn)態(tài)模型中可以推導(dǎo)出諧振變換器的傳遞函數(shù)和關(guān)于電壓增益有關(guān)知識(shí)。而數(shù)學(xué)分析則有效地給出了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中需要用到的數(shù)學(xué)公式，計(jì)算理論值來(lái)與仿真結(jié)果做比較分析。第4章 電路開(kāi)環(huán)與閉環(huán)仿真 第4章 電路開(kāi)環(huán)與閉環(huán)仿真4.1 電路開(kāi)環(huán)仿真要求電路能在直流輸入電壓V左右時(shí)，作輸出電壓恒定控制，V，輸出功率為，電壓增益，品質(zhì)因數(shù)，開(kāi)關(guān)頻率，歸一化頻率比為。根據(jù)以上的參數(shù)依次確定如下電路元件的選擇。、負(fù)載參數(shù)確定，根據(jù)輸出功率和輸出電壓就可以確定負(fù)載大小。即 (4.1)

49、(4.2)、移相角的確定，根據(jù)電壓增益來(lái)確定。即 （4.3） （4.5） （4.6）、等效至逆變和諧振環(huán)節(jié)的負(fù)載值。圖4.1 等效負(fù)載變壓器 （4.7） （4.8） （4.9）、諧振電感和電容的參數(shù)確定。 （4.10） （4.11） （4.12）開(kāi)環(huán)電路仿真圖如4.2所示，仿真結(jié)果如圖4.3所示。圖4.2 開(kāi)環(huán)電路仿真圖圖4.3開(kāi)環(huán)仿真結(jié)果（a）圖中方波形正負(fù)交替的波形表示開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)中AB兩點(diǎn)間電壓，呈正弦狀的波形表示諧振電感電流圖4.3 輸出電壓Vo開(kāi)環(huán)仿真（b)4.2 電路閉環(huán)仿真將主電路和控制電路連接起來(lái)進(jìn)行閉環(huán)仿真。在閉環(huán)電路中鋸齒波發(fā)生器的頻率是方波發(fā)生器的2倍。設(shè)定控制電路的參數(shù)如下

50、：輸出電壓接的電壓傳感器參數(shù)為0.1，要求開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率是50KHZ,那么鋸齒波發(fā)生器的頻率為100KHZ,則有方波發(fā)生器的頻率為50KHZ；且設(shè)定鋸齒波發(fā)生器的幅值為15.2V略高于PI調(diào)節(jié)器限幅的最大值，這是為了讓能夠讓比較器能夠在一個(gè)周期中進(jìn)行全部開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷的翻轉(zhuǎn)。方波發(fā)生器的值只設(shè)定為高電平和低電平即可。Vca是根據(jù)開(kāi)環(huán)要求的輸出電壓和增益進(jìn)行計(jì)算得到移相角后進(jìn)而確定的。PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓是由主電路的實(shí)際輸出電壓與理論值電壓8V做差而得到的。其作用是不斷地調(diào)節(jié)輸出電壓使其逐漸趨于穩(wěn)定值。PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)參數(shù)是通過(guò)適湊法出來(lái)的。分別為0.01和0.00001。電路圖如下4.4

51、所示.圖4.4 閉環(huán)仿真電路圖圖4.5 閉環(huán)電路仿真結(jié)果圖（a）圖中方波形正負(fù)交替的波形表示開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)中AB兩點(diǎn)間電壓，呈正弦狀的波形表示諧振電感電流圖4.5 輸出電壓閉環(huán)仿真（b)本章小結(jié)本章中重點(diǎn)介紹的是：通過(guò)第三章中有關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)分析中計(jì)算出電路的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)所需參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行PSIM仿真。上面的圖形分別給出了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的電路圖及其仿真波形圖。結(jié)論 結(jié)論直流變換器由于開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗很大，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的輕量化和小型化。為了提高開(kāi)關(guān)頻率，必須采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。全橋電路由于其自身能夠容納大功率的特點(diǎn)，其在高壓直流電源中應(yīng)用廣泛。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的引入，降低了開(kāi)

52、關(guān)元件的開(kāi)關(guān)損耗，且能提高變換器的效率和可靠性。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要研究的的串聯(lián)諧振DC/DC變換器。主要完成了以下主要工作：（1）首先從直流電源硬開(kāi)關(guān)的前提下引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，其次主要介紹了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中的諧振技術(shù)，并重點(diǎn)比較了串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。由于串聯(lián)負(fù)載諧振電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方法成熟等優(yōu)點(diǎn)。因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用較為經(jīng)典的串聯(lián)諧振作為研究對(duì)象。（2）基于串聯(lián)諧振變換器的主電路宏模型，設(shè)計(jì)了串聯(lián)諧振變換器的主電路。主要包括全橋逆變電路，LC串聯(lián)諧振，高頻變壓器，橋式整流電路，電容濾波這幾個(gè)部分組成。重點(diǎn)介紹分析了全橋逆變電路在開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率情況下的六個(gè)主要開(kāi)關(guān)模態(tài)。對(duì)于諧振電路而言，控制方法

53、多種多樣，比如移相控制，變頻控制，調(diào)幅控制等。本次設(shè)計(jì)中逆變電路選擇的是全橋型，且規(guī)定電路工作在恒頻率下，因此控制電路選擇的是移相控制。在這些前提下設(shè)計(jì)了控制電路的電路圖，并分析了其工作原理。（3）在整個(gè)電路設(shè)計(jì)出來(lái)的前提下，分析了主電路的穩(wěn)態(tài)模型及其數(shù)學(xué)分析。在數(shù)學(xué)分析的基礎(chǔ)上根據(jù)已知電路的參數(shù)。然后進(jìn)行PSIM開(kāi)環(huán)和閉環(huán)仿真。通過(guò)對(duì)電路的原理分析，認(rèn)為今后可在以下方面展開(kāi)進(jìn)一步的工作：可以在諧振槽電路中引用雙向開(kāi)關(guān)，利用諧振槽電路的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，使變換器傳遞更多的能量。參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn)1 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)(第四版). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：170176 2 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第三版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：36383阮新波，嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2000,58674 吳俊娟，鄔偉揚(yáng)，代明輝. 基于移相控制的串聯(lián)諧振變換器穩(wěn)態(tài)分析，電力電子技術(shù)，2010，44（2）：34365 李定珍，郭海針. 一種新型半橋諧振DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)