《車載LLC電路參數(shù)的設計及計算探究》13000字（論文）

車載LLC電路參數(shù)的設計及計算研究目錄TOC\o"1-2"\h\u25043摘要 1103471.前言 2146861.1選題背景及研究意義 2198411.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 373131.3本文研究內(nèi)容 3111782.LLC諧振變換器的工作原理及性能分析 4280212.1諧振變換器的分類 4284142.2MOSFET的分析及選取 764212.3諧振變換器拓撲結構的選擇 8175142.4LLC諧振變換器主電路的結構及原理 9257383.諧振變換器穩(wěn)態(tài)特性分析 12193563.1LLC諧振變換器的增益特性 1321853.2諧振變換器的效率特性 15177483.3諧振變換器的空載特性 1557393.4諧振變換器的效率模型 1697753.5寄生參數(shù)的影響 17249514.LLC諧振變換器的參數(shù)設計 17217154.1全橋LLC電路的性能指標及參數(shù)定義 1772574.2主電路參數(shù)的設計步驟： 1828013全波整流器的輸出電流為 2176585.仿真結果分析 2144025.1方波發(fā)生器的驗證： 2164785.2輸出電壓、電流波形分析： 21190836.結論 2219411參考文獻 23摘要近年來隨著新能源的不斷發(fā)展充電機技術的不斷提升，汽車行業(yè)越來越火，生產(chǎn)銷售越來越多，在當今電動汽車中這次充電器已經(jīng)成為了不可或缺的一個組成部分，同時也在電動汽車全面高速發(fā)展有著至關重要的作用。而車載LLC電路在提高效率方面有著極大的優(yōu)勢，因此設計車載LLC電路具有廣泛的市場前景。本課題將對車載LLC電路大家相關參數(shù)設計問題進行深入探討。從工作原理角度來針對車載電路進行全面分析之后，根據(jù)車載LLC電路原始設定的性能指標，應用相關公式計算電路各功能各部分的參數(shù)，確定相應的元件指標，然后應用PSIM仿真軟件驗證設計的正確性，再進行電路的調試，得到相應的波形以及數(shù)據(jù)，最后對參數(shù)及運行結果進行分析，由此來研究電路模型。關鍵詞 車載LLC；汽車能源；大功率；效率；參數(shù)設計前言1.1選題背景及研究意義近年來隨著新能源的不斷發(fā)展充電機技術的不斷提升，新能源汽車市場越來越受人們的歡迎，它的銷售量也在不斷的提高，它可以運用各種技術的充電方式給汽車完成電池的續(xù)航，從而使汽車獲得動力，這樣一來，不僅避免了以往對不可再生能源汽油的索取，更是一種清潔型能源，能改善環(huán)境污染的問題，還能更快更好的促進目前汽車行業(yè)的發(fā)展，所以充電機下的新能源汽車在未來的發(fā)展中是具有很大的發(fā)展前景。在電動汽車在使用過程中車載充電器成為了不可或缺的一項關鍵設備，同時也在電動汽車全面高速發(fā)展有著至關重要的作用。目前，市面上的新能源電動汽車中的蓄電池的電壓一般都在200V到500V之間，并且習慣于使用橋式變換器。而在我們現(xiàn)實生活中的設計過程中，如果想要減少變換器的體積,就必須要增加開關的頻率，當然，這同時也會進一步增加開關損耗，并極大影響其效率，由此可以看出，開關效率的有效提升也非常重要，諧振變換器在實際的利用過程中體現(xiàn)出了以下一些優(yōu)勢：①該變換器的原邊低MOS管和副邊二極管,能夠分別完成ZVS(零電壓開通)和ZCS(零電壓閉合);②其主電路中配置了相對少量的元器件，但是工作效率不受任何影響。③該變化器在實際應用過程中體現(xiàn)出了高功率密度和高頻密度等一些優(yōu)勢;④輸入電壓和輸出負載范圍相對較寬的情況下其電壓調節(jié)特性表現(xiàn)良好；⑤該變換器的原邊電力MOS管以及副邊的二極管本身的電壓應力相對較弱；⑥可以在變壓器中實現(xiàn)磁器件的集成,在這種情況下也可以有效利用變壓器漏感和勵磁電感。因此設計車載LLC電路就具有廣泛的市場前途，本課題對車載LLC電路的設計參數(shù)進行研究。相比于傳統(tǒng)的PWM（脈沖寬度調制）變換器，LLC變換器在實際應用過程中針對輸出電壓的行政電路可以充分利用控制或者通過改變開關頻率來實現(xiàn)穩(wěn)定。傳統(tǒng)采取硬開關拓撲結構的電路往往會產(chǎn)生相對較大的開關損耗，而在該諧振變換器中通過充分利用逆變橋中四個主MOS管的零電壓開通和整流電路中二極管的零電流關斷的軟開關技術，能夠極大限度的降低對開關電源的消耗,從而提升了功率變換器的工作質量。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對諧振變換器目前國內(nèi)外主要是在同步整流、變壓器集成、優(yōu)化設計方法、控制模式調整等幾個方面開展研究：(1)同步整流：以大電流和低電壓整流作為基本需求，因此能夠借助合理的利用同步整流電壓技術來進行對整流設備損耗的高效管理,其重點就是通過合理利用低通態(tài)電阻的電力MOSFET來代替整流電壓二極體,進而有效提升DC-DC轉換器的效能。(2)多路輸出及分布式電源：傳統(tǒng)的方法是通過要想實現(xiàn)多路輸出通常情況下是以正反激式結構或者半橋加交流母線來達成，但是在利用正反激式結構的情況下變壓器會出現(xiàn)耦合和繞制相對困難等一些問題，而在利用半橋加交流母線方式的情況下雖然能夠避免出現(xiàn)繞制困難，但是很難實現(xiàn)軟開關。(3)變壓器磁集成：磁集成技術如果要應用于較小功率的功耗下實際應用的變壓器體積、數(shù)量之和費用都能得到有效控制，因此其整體性能可以得到有效提升。(4)設計方法的改善及調整控制模式。在設計方法方面不僅有經(jīng)典設計方法，而且也會經(jīng)常應用到基于諧振電流的設計以及在額定功率下的最優(yōu)化設計。目前，LLC諧振變換器大多采用模擬控制技術，但是近年來對于數(shù)字控制技術的研究和應用也在慢慢增加1.3本文研究內(nèi)容本課題將從大功率LLC電路中各部分功能模塊進行參數(shù)設計及計算方法對諧振變換器進行分析和研究，與此同時也還針對不同工況需求下諧振變換器的拓撲結構進行分析，從而針對諧振變換器總結出了效率更高、簡單易懂的一種算術設計方法。利用該設計方法能夠讓諧振變換器電壓輸出達到400-600V，而且完全可以達成48V、800W高效率輸出的轉換。LLC諧振變換器的工作原理及性能分析2.1諧振變換器的分類在實際應用過程中諧振變換器的諧振主要是利用電感和電容共同作用來實現(xiàn)，當電壓或者電流出現(xiàn)過零點，這樣就會導通或者是關斷開關器件，從而使得電壓和電流重合問題得到有效避免，因此也是現(xiàn)在軟開關模式下的零電壓導通或者零電流關斷。不僅如此，而且,諧振變換器還能夠很好的做到了對開關元件損耗的有效調節(jié)，同時成本也能得到有效節(jié)約，電路的整體效率得到了極大提升。（1）串聯(lián)諧振變換器：這種變化器主要是通過在諧振槽中講諧振電感Lr和諧振電容Cr進行串聯(lián)后共同組成，下圖1-1表示的是其電路的拓撲結構。由圖1-1中不難看出，主要由輸入端的直流電壓源，全橋逆變網(wǎng)絡，以及諧振槽所構成。其中全橋逆變網(wǎng)絡由四個MOS管Q1-Q4構成，對應的四個體二極管D1-D4，以及MOS管的寄生電容C1-C4。當其正常工作時,由在各個橋臂上的兩個MOS管輪流導通，并同時設置了相應的導通與死區(qū)時間，可以利用這種方法圖1-1從結構層面來看，負載和諧振網(wǎng)絡屬于串聯(lián)連接方式，因此諧振網(wǎng)絡的實際阻抗的大小與開關頻率有關，諧振頻率為：f電路的電壓增益為：M=由式(1-2)可以看出，由于分母是負載阻抗加上諧振槽的阻抗，分子是負載阻抗，因此串聯(lián)諧振變換器的電壓增益永遠小于1。根據(jù)電路理論中的阻抗分壓定律，當開關頻率等于諧振頻率時，此時諧振網(wǎng)絡的阻抗最小，非常接近于零，而且是在負載的兩端施加了全部電壓，因此能夠充分保障電壓增益達到最大1。另外，在整個電路中諧振電容C屬于串聯(lián)連接，因此完全能夠達到隔直流通交流的效果，變壓器飽和也能得到有效控制。通過串聯(lián)諧振變化以及其本身的特點可得知，要想在原邊MOS管的ZVS中真正得到實現(xiàn)，它的工作頻率必然要比在諧振電感感應與諧振電容器共同作用下形成的諧振頻率更高。諧振變化器，在實際利用過程中要想保持輸出電壓穩(wěn)定可以通過開關頻率來實現(xiàn)，但是，存在一些情況時，輸出電壓可能會出現(xiàn)不能保持的情況，就是如果讓變換器在輕載的環(huán)境工作的話，電壓增益曲線會比較平緩，這時就要開關頻率的變化范圍要很廣這就有可能導致輸出電壓不可以針對開關頻率進行調節(jié)之后實現(xiàn)調整。如果實際輸入可變電壓的狀況下，電壓輸入太大的話工作頻率也會升高，進而遠離諧振點，造成諧振阻抗變大，在這種情況下諧振網(wǎng)絡的消耗也會進一步增加，因此必然會影響其整體的運行效率。（2）并聯(lián)諧振變換器：下圖1~2所表示的是并聯(lián)全橋諧振變換器的主電路拓撲結構。根據(jù)該結構可以知道，諧振電感Lr與諧振電容Cr通過串聯(lián)連接方式共同構成了并聯(lián)全橋諧振變換器，而且變壓器漏感也包含在了諧振電感Lr中。其與串聯(lián)諧振變換器圖1-2對于并聯(lián)全橋諧振變換器來說，要想實現(xiàn)MOS管的零電壓開通，那么開關管的頻率需要大于諧振頻率，同時還要保證諧振槽中電壓相位超前于電流相位，使得整個諧振網(wǎng)絡的阻抗為感性狀態(tài)。輕載的時候，電壓增益曲線陡峭，開關頻率的變化范圍較窄。并聯(lián)全橋諧振變換器的缺點是：重載時調節(jié)特性差，輕載時，諧振環(huán)路中的電能多；對整流網(wǎng)絡總電容的電流脈動的需求小，并且有一個電感值較大的濾波電感，會使得充電機的功率密度增大同時影響變換器體積的小型輕量化。（3）串并聯(lián)諧振變換器：下圖1-3展示的是串并聯(lián)諧振變換器的具體電路突破結構，根據(jù)該圖可以知道其分別使用了兩個電容和一個電感配置在諧振槽共同構成。在一些情況下串并聯(lián)諧振變換器也被稱為是諧振變換器，也就是說將一個諧振電容串聯(lián)在了并聯(lián)全橋諧振變換器之上形成。圖1-3在輕載和重載等二個不同的工況環(huán)境下，LCC全橋諧振變換器的電路特性，可以各自反映出并、串諧振變換器各自的優(yōu)勢，所以，LCC所容許的負載變換范圍相當廣泛。LLC諧振變換器中,因為串聯(lián)電容器的影響而使整個電路的等效電容降低，根據(jù)電容阻抗的公式從而整體的等效阻抗增大，電流值也會減小，回路的能力減小。在輕載的環(huán)境下時，電壓輸出增益也可以實現(xiàn)有效調節(jié)。而要想實現(xiàn)圓邊MOS管在零電壓狀態(tài)下的開通就必須要保障LCC諧振變換器處在高頻狀態(tài)下，低頻諧振頻率點將得不到很好的利用。隨著變化器輸入和輸出電壓不斷的增加，開關管導通和關斷時的損耗也會增加，開關損耗與PWM變換器相似副邊的整流電路都需要加一個濾波電感，這會導致整流二極管在反向回復方面存在一定的妨礙，也不利于去提高功率密度。綜合以上三種諧振變換器的工作特性分析，不同的諧振變換器的不同的場景下應該根據(jù)實際的需要合理的進行分析并進行選型。我們需要選擇更具有效率優(yōu)勢的諧振變換器的拓撲結構，而對于諧振變換器來說，在寬電壓輸入或全負載變化下都能實現(xiàn)軟開關技術，能很好的滿足人們對效率和工作可靠性的要求2.2MOSFET的分析及選取隨著人們對于效率的追求，電源開關及電力電子器件技術都在不斷的進步，在充電機變換其中，LLC諧振變換器因其良好的效率慢慢的成為了充電機中主流的拓撲電路結構，在高頻率的工作環(huán)境下，一般會選擇MOSFET作為電路主開關電力MOSFET在開關網(wǎng)絡中也得到廣泛的應用。電力MOSFET作為一種單極性的全控型器件，漏極電流可以充分利用柵極電壓來實現(xiàn)有效控制，其在實際利用過程中的驅動電路非常簡單，而且整體功率相對較小，能夠實現(xiàn)快速的開關，在高頻電路中的應用具有較強適用性。對于電路來說，的三個電極之間分布的極間電容分別是。三者之間具有以下一些關系：在上述的關系中當處在漏源極短路情況下是實際的輸入電容為，而共源極輸出電容則屬于，Crss是反向轉移電容電力輸出電容會受到開關損耗的直接影響，處于電路硬開關模式的情況下是，隨著其等效輸出電容的不斷增加，也會產(chǎn)生更多的開關損耗，但是實際會存儲更多電能。鑒于這種狀況，針對處在電路硬開關工況下的電力開通和觀察損耗進行全面分析，能夠實現(xiàn)器件損耗特性的深入了解。而對于電力來說，其本身產(chǎn)生的關斷損耗非常小，而且是存儲在輸出電容上的電能導致出現(xiàn)了開關損耗。鑒于這種狀況，選用電力MOSFET作為電路主開關器件，在觸發(fā)電力MOSFET前，使等效電容中存儲的能量降為零，進而減少開關損耗量,為開關管上進行零電壓開關試驗作好準備。2.3諧振變換器拓撲結構的選擇2.3.1逆變網(wǎng)絡的選取圖1-4半橋逆變電路圖1-5全橋逆變電路圖1-6帶中心抽頭變壓器逆變電路半橋逆變電路的優(yōu)點是結構簡單，相對于全橋逆變電路來說少了2個電力MOSFET管，使用的器件較少，可以節(jié)約成本，但是同時也會帶來一些缺點，就是輸出電壓的幅值Vo僅能達到一半，所以會大量應用在小功率電流中。而與全橋逆變電路相對比,帶中心抽頭變壓器的開關電源器件設計實際應用數(shù)量僅為一半左右,而與全橋逆變電路相對比,其實際負載電流將會提高一倍左右2.3.2整流網(wǎng)絡的選取整流電路電力電子電路中用于交流電能轉換為直流電能供直流用電設備，整流電路中最常見的四種結構它們分別是零式全波整流、倍壓整流、半波整流、橋式全波整流等基礎電路。下面對這幾種整流電路進行簡單的介紹：（1）半波整流電路:該整流單元電路的構造非常簡單，但器件較小，其缺陷就是它要求很大的濾波電感，因此通常人們都會把它應用在單端正激集成電路。（2）零式全波整流電路:通常情況下是在變壓器雙向磁化電路中繼續(xù)利用。由于其將全部整流電路配置在了副邊，因此在其輸出端使得等效頻率是原來的兩倍，這樣在設計濾波器的時候也變得更加輕松，但是缺點是必須要將兩個副邊繞組配置在變壓器中，因此在設計過程中如果面臨低電壓大電流場合的情況下難度會進一步增加，因此通常會在輸出電流較大的電路中應用。(3)橋式全波整流電路:由于僅僅需要為變壓器負邊配置一個繞組，因此其整體結構形式更加簡單，但是在應用過程中整流二極管的數(shù)量為四個，實際應用時成本增加，通常僅僅是應用在一些高輸出電壓的狀況下(4)倍壓整流電路:該電路與全橋整流電路同樣使用的是一個副邊繞組，電路的整體結構相對簡單，而且在其副邊整流電路中實際產(chǎn)生電流的有效值相對較小，可以有效地減少變壓器的損耗。但是要增加元器件，這樣也就意味著增加了使用的成本。在選擇副邊整流拓撲時，需要整體的去考慮電路的輸入電壓電流、輸出的電壓電流、實際的器件選型、可靠性和成本等因素；一般我們會采用全波整流電路來將電路的損耗和回路的壓降進行有效控制；而通常情況下會利用半波直流電路來設計小功率的正激、反激等相關類型的變換器。而在本課題的研究中，根據(jù)老師給出的原始參數(shù)指標以及初步分析，本課題的LLC電路主要是將一個零式全波整流電路配置在了變壓器副邊。2.4LLC諧振變換器主電路的結構及原理2.4.1LLC諧振變換器主電路結構我們的主要研究范圍全橋LLC諧振變換器，從其結構上來看具有非常鮮明的電路拓撲結構特點，具體的組成全橋變換器結構和諧振電路結構的組合，詳細的結構內(nèi)容如圖。從圖上可以清楚的看到變壓器的結構圖，分別連接了四個開關管（Q1、Q2、Q3、Q4）和三個諧振器件（諧振電容Cr、諧振電感Lp、勵磁電感Lm），副邊的結構也可以明顯地看到全波整流的特點。圖2-1如上圖所示，主電路可以分為四個模塊分別是：(1)方波發(fā)生器模塊:將直流電壓變?yōu)榉讲妷?2)諧振網(wǎng)絡:將方波電壓轉化為正弦電流(3)整流濾波網(wǎng)絡:濾除紋波(4)輸出負載其中方波發(fā)生器主要是由四個MOS管所構成的全橋構成，MOS管Q1和Q3為一組，MOS管Q2和Q4為一組，兩組MOS管的控制脈沖相同，占空比為50%，同時，為了防止發(fā)生上下兩個MOS管直通的現(xiàn)象，兩組MOS管之間的脈沖是要留有一定的死區(qū)時長；所謂的諧振網(wǎng)絡，其主要內(nèi)容是通過Cr表示的諧振電容、通過Lr表示的諧振電感和通過Lm表示的勵磁電感，具體來看Lm也可以集成為電壓器的漏感當中，因此諧振網(wǎng)絡也是有串聯(lián)諧振頻率fr和最小諧振頻率fr=fLLC諧振電路的工作頻率取決于功率的需要，功率要求低的時候工作頻率高，超出諧振點fs。而當功率要求高的時候，需要降低開關頻率。因此LLC諧振變換器一般按頻率的高低分為五個區(qū)段，分別是：（a）其高度具體數(shù)值要大于fr；（b）建立在fr點；（c）位于fmin和fr之間；（d）fmin和fs之間；（e）低于fmin。我們希望處于前三種狀態(tài)，主要是因為經(jīng)過測算結果可以看到，變壓器的輸入阻抗表現(xiàn)出明顯的感性的特點，經(jīng)過測算發(fā)現(xiàn)輸入電流的電位遠遠小于輸入電壓，不僅可以減少能耗還能確保系統(tǒng)處于ZVS狀態(tài)。2.4.2LLC諧振變換器工作原理的分析在LLC諧振電路中需要滿足輸入阻抗呈感性的狀態(tài)才能使得電路工作在ZVS的狀態(tài)，下面將對這三種狀態(tài)情況進行分析：當開關頻率fs沒有超過fr時，通過測算可以看到通過并聯(lián)方式聯(lián)通的負載和勵磁電感Lm在阻抗方面表現(xiàn)出了明顯的感性特點，諧振電感Lr與諧振電容也同理，可以得出的結論是阻抗處于感性狀態(tài)。（2）當fs與fr相等，諧振電感Lr和諧振電容Cr具體的連接方式是一個串聯(lián)諧振，但經(jīng)過計算后得到的此時并不是有效電阻,而采用串聯(lián)方法連接的勵磁電感與等效電阻都是感性狀態(tài),即輸入阻抗值等于感性。（3）當fmin<fs<fr時，通過串聯(lián)方式連接的諧振電感Lm與諧振電容Cr通過測算發(fā)現(xiàn)處于容性阻抗狀態(tài)，通過并聯(lián)方式連接的負載與勵磁電感Lm通過測算發(fā)現(xiàn)處于感性阻抗。電路與這個頻率范圍之內(nèi)，輸入阻抗是感性還是容性是由開關頻率和負載產(chǎn)生影響的。對于輸入阻抗是感性還是容性是由開關電源頻譜和負載變化產(chǎn)生影響的。所以在負荷恒定的時候，開關電源頻率就越靠近于諧振頻率，而注入電阻也就更易變出現(xiàn)感性的性質；相反，當開關電源頻率越是偏離諧振頻率的時候，輸入阻抗就越是易呈現(xiàn)出容性性質；當頻率恒定負荷逐漸發(fā)生變化的時候，當負荷越來越小的時候，輸入阻抗呈現(xiàn)出感性，而當負荷逐漸增大的時候，因此LLC諧振變換器可分成三個工作區(qū)域：ZVS區(qū)域1（輸入阻抗呈感性，fs>fr），ZVS區(qū)域2（輸入阻抗呈感性，fs<fr）和ZCS區(qū)（輸入阻抗呈容性，fs<fr）三個部分。理想情況下LLC諧振變換器均應該工作在ZVS的狀態(tài)下，進而可以得出的結論是對于LLC諧振變換器設計來說，ZVS區(qū)域1和ZVS區(qū)域2是工作區(qū)域，而ZCS區(qū)域是在設計和計算時應該避開的工作區(qū)域。當面對理想LLC諧振變換器的時候，理論上最小工作頻率可直接由輸入阻抗的表達式推導得到，進而進行精確計算，結果如下圖所示圖2-2理想LLC諧振變換器工作區(qū)域示意圖3.諧振變換器穩(wěn)態(tài)特性分析在確定變換器的結構時最需要觀察穩(wěn)態(tài)特性，對于LLC諧振變換器來說，可以造成穩(wěn)態(tài)特性發(fā)生變化的因素有能否實現(xiàn)軟開關技術、支路電流的大小和寄生元件的參數(shù)等等，并且可以根據(jù)這些穩(wěn)態(tài)特性來確定主功率電路的參數(shù)。由前面的分析可知，要降低損耗，提高LLC諧振變換器的效率確保其平穩(wěn)運行，各項功能可以正常實現(xiàn)，最好將其頻率穩(wěn)定在合理的范圍之內(nèi)，過大或者過小都會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得其能夠實現(xiàn)零電壓開通，因此主要針對ZVS的增益和效率特性兩個角度闡述。當變換器工作在諧振頻率附近時,交流諧振電路也可認為是由一種等價的正弦輸入激勵，并且與諧振電感、諧振電容、勵磁電感、等效純阻性電阻就可以共同溝通電路，因此其功能上是等價的,而功率的計量方法則是在傅里葉展開式中,但具體則必須采用基頻分量:EUin代表的含義是方波輸入電壓，Ein代表的含義是輸入電壓的基頻分量，ω=2πf，下圖代表的含義是LLC諧振變換器中具體的交流電路的構成，其功效是相同的。Ein為等效的正弦交流電路，通過諧振電感Lr、勵磁電感Lm圖3-1LLC諧振變換器交流等效電路利用基波分量法，把二次側等效電阻折算到變壓器一次側，得到交流等效負載R其中，RL為負載電阻，n為變壓器初次級匝比。3.1LLC諧振變換器的增益特性在本課題中，在輸出參數(shù)已經(jīng)確定的前提下，變壓器的變比也已經(jīng)確定，因此電壓增益就成為了一個衡量放大電路對輸入或輸出信息放大能力的重要度量，是關于電感比（k=LmLr）和負載之間的函數(shù)。對于LLC諧振變換器來說，影響電壓增益的具體因素是大輸出電壓。同時考慮到電壓增益與頻率的變化特性，側重于探討其頻率特性。下圖代表的含義是當處于直流增益的狀態(tài)下，電感比和負載發(fā)生變化的情況下的特性曲線，其中橫軸為歸一化頻率（fn=fs

（a）k=2電壓增益（b）k=5電壓增益（c）k=7電壓增益（d）k=9電壓增益在實際計算當中我們需要提前確定好電感比k以及品質因數(shù)Q的數(shù)值才能進行更多參數(shù)的計算，由上圖分析可知，電壓增益與電感比以及品質因數(shù)之間的關系如下：電感比越小，電壓增益則越大。但是當輸入電壓恒定，而電感比過大時，電壓增益會減小，也不能達到寬輸出電壓的范圍。電感比大時，電壓增益曲線的斜率小，在輸出電壓不恒定的時候，會出現(xiàn)的現(xiàn)象是，其頻率可以更加大幅度的進行調節(jié)，但這樣的做法會傷害到變換器。只有設定的電感不超過定值，同時諧振電感不發(fā)生較大變化，勵磁電感會相對減小，支路電流的最大值變大，此時，關斷電流就應該為激磁電流，這樣MOS管的關斷損耗較大，極大的影響電流的傳輸效率。而我們知道在一定的情況下，電感比越大，變壓器的漏感作為諧振電感就越容易實現(xiàn)。因此，我們在實際LLC電路參數(shù)的計算和設計過程中，k值一般選擇在4-7之間。Q的取值越大，電壓增益曲線則會越來越平緩，在電感比相同的情況下，最大電壓增益與Q值之間保持著反向變化的關系。輸入電壓恒定的情況下，Q的取值更是會導致其電路的輸出電壓范圍發(fā)生變化。3.2諧振變換器的效率特性關于LLC諧振變換器效率，主要是來自于電力電子器件在導通和關斷過程和變壓器在工作中的損耗為主，所以要想提高效率最重要的方法是從這兩部分去分析并改善，具體包括：原邊逆變電路MOS管的開關損耗、諧振網(wǎng)絡中三個主要元器件的損耗、整流電路中二極管的損耗、濾波電路的損耗。要讓全橋LLC電路在寬電壓輸出范圍內(nèi)達到ZVS的狀態(tài)，電路必須工作在感性情況下，使輸入阻抗的虛部大于零，即：Q諧振變換器除了要工作在感性區(qū)以外，還必須保持在MOS管寄生電容器內(nèi)的壓降為零,才能使得開關管的零電流開通。在勵磁電流的峰值還不能達到死區(qū)時間的時候,把導通MOS管的寄生電容器中的電量放出來,同時把關斷中的開關管的寄生電容器補充到輸入工作電壓上，而保證開關管的零電壓開通需要滿足以下條件：Cj代表的含義是MOS管的寄生電容，tdead代表的含義是死區(qū)時間。3.3諧振變換器的空載特性通過觀察直流輸出電壓增益的計算方式可以清楚的看到，諧振頻率fr在沒有超過開關頻率fs的時侯，諧振電容可以忽略不計。當處于空載狀態(tài)下，時等效電路如下圖所示，V1空載等效電路處于空載狀態(tài)下，全橋LLC諧振變換器的等效輸出電阻的具體數(shù)值無法得到一個準確的值，實際是接近于無窮大，因此可以得出的結論是電路的品質因數(shù)Q忽略不計。確保了系統(tǒng)電流處在平衡的狀態(tài)，我們的開關電源頻率fs值就會隨之的提高，這時諧振變換器的直流增益設定就將趨向于一個常數(shù)，這樣才能調節(jié)系統(tǒng)輸出電壓的平衡；與此同時，當開關的電源頻率fs值不斷提高直到趨向于無窮大時，直流的增益也將會是一個常數(shù)，不過此時變換器的輸出電流也將無法調整，同時根據(jù)空載時的等效電路圖可以知道此時輸出電壓的表達式為：V在空載的時候，流經(jīng)變壓器副邊的電流無限小可以忽略不計導致諧振電流處于非常低的狀態(tài)，進而造成充放電時間大大增加，甚至會出現(xiàn)原本可以正常發(fā)揮作用的體二極管不能為ZVS的開通留有充足的準備條件本設計中，針對輸出電壓不可調的問題最合適的處理方式就是增加假負載，但可能會造成達不到ZVS開通條件的問題，這次采用了全橋LLC諧振變換器的上下橋臂MOS管之間設計預留了充足的死區(qū)時間來解決。3.4諧振變換器的效率模型在設定集成電路的參數(shù)或是設計一個高電耗性的產(chǎn)品時，工作效率都是一個很關鍵的性能指標，因為只有在工作效率確定的前提下，所設計的東西才有意義，所以在設計LLC諧振轉換器時候，一個好的工作效率模式將會為整個轉換器系統(tǒng)提供極大的效益，從研究中看可以發(fā)現(xiàn)，一般LLC諧振轉換器的工作效率模式根據(jù)在小功率應用中，磁整體式構成的轉換器所形成的，損耗種類上主要分為開關網(wǎng)路損耗、交換變壓器損耗以及整流設備損耗，而且多根據(jù)在轉換器輕載時的狀況加以分析。對大功率使用下的LLC諧振變換器而言,效率模型必須考察的主要內(nèi)容則涉及開關網(wǎng)絡損耗、諧振槽路損耗、整流器損耗和輸出濾波器損耗等。（2）諧振槽路損耗包括諧振電感Lr的磁芯損耗和銅線損耗。計算方式為（3-6）。式中Pcv_Lr——電感磁芯單位體積上的功率損耗（W/mVe_Lr——電感磁芯的體積（m（3）變壓器Ptransformer由磁芯損耗Pcore_t和銅線損耗P式中Pcv_t——變壓器磁芯單位體積上的功率損耗（W/Ve_t——變壓器磁芯的體積（m變壓器副邊的整流器損耗主要是二極管的開關損耗，因此當我們在使用LLC諧振變換器的時候，要求的是整流電路中的整流二極管是可以完成零電流關斷的，所以在計算二極管的損耗時只需考慮它的導通損耗就行。整流損耗可由式（3-8）計算P式中VF3.5寄生參數(shù)的影響LLC諧振變換器的電壓增益特性由于受到寄生參數(shù)的影響，相較增加之前會發(fā)生很大的變化，下面將分析MOS上的寄生電容參數(shù)的不同具體會導致電壓其發(fā)生的變化。對于諧振槽路的基波輸入電壓Vi.FHA而言，其幅值和相位僅僅會受到變換器輸入電壓的影響，可以得出的結論是輸出電容CLLC諧振變換器中，電力MOS管在開通過程中，諧振槽路基波輸入電壓超前于諧振電流，為諧振電流提供續(xù)流通路，同時將MOSFET漏源極間電壓嵌位至二極管導通壓降，進而實現(xiàn)了零電壓開通，大大降低了開關損耗，提高了效率。但是,MOSFET體內(nèi)二極管在續(xù)流導通的時刻總是會出現(xiàn)延時，這是因為由于寄生電容必須并聯(lián)連通到MOS管體內(nèi)二極管和MOS管兩端，所以需要將在電容器中儲存的電荷全部放出，電容兩端壓降為零之后，二極管不再承受反向壓降，才可以實現(xiàn)續(xù)流導通，進而實現(xiàn)MOSFET的零電壓開通。由此可見，MOSFET輸出電容會對LLC諧振變換器的ZVS產(chǎn)生較大影響。為了保證變換器ZVS平穩(wěn)的運行，在死區(qū)時間（Td）內(nèi)，MOSFET輸出電容上存儲的電荷全部釋放，即由變壓器勵磁電流i4.LLC諧振變換器的參數(shù)設計4.1全橋LLC電路的性能指標及參數(shù)定義由上文對全橋LLC電路結構原理和穩(wěn)態(tài)特性的分析能夠發(fā)現(xiàn)：諧振網(wǎng)絡中，諧振電感Lm、勵磁電感Lr、諧振電容Cr相互之間有著緊密的聯(lián)系，共同影響著諧振變換器的特性，因此在電路中需要特別注意它們的設計。有以下幾點需要注意：在設計過程中要分析變壓器漏感產(chǎn)生的影響，變壓器原邊漏感還可以參與諧振，所以不需要盡可能減小變壓器漏感，一般情況下，選擇對原副邊漏感做平衡處理，這樣，二者對副邊獨立點的影響就會逐漸抵消；（2）：ZVS實現(xiàn)。一般情況下，諧振變換器不得在ZCS區(qū)域運行。因此，想要達到這一目的，在設計變化器的最小工作頻率時應該要預留充足的準備。本課題中設計的全橋LLC電路具體的參數(shù)指標如下：輸入電壓范圍：400-600V之間；輸出電壓及電流：48V（1±0.5%）、16A；輸出功率：800W；工作效率：大于95%LLC變換器參數(shù)定義表直流增益串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率品質因數(shù)歸一化頻率電感比M=ffQ=fL4.2主電路參數(shù)的設計步驟：4.2.1設計變壓器原副邊變比和諧振元件值結合電壓增益特性曲線能夠發(fā)現(xiàn)：在理想工作區(qū)域內(nèi)，隨著開關頻率的增大電壓增益會越來越小。最大諧振頻率點處，此時的諧振網(wǎng)絡的阻抗最小，諧振變換器的效率最高。在最佳工作點來確定變壓器的匝比n：Vn=最高電壓增益和最低電壓增益：G根據(jù)已經(jīng)得出的輸出電壓值以及輸出功率值就可以推導出輸出時，負載阻抗和折算到原邊的等效電阻取電感比K值：k=品質因數(shù)Q取0.45令初始諧振頻率f0為100kHZ，在滿載的情況下計算諧振電容CC諧振電感Lr：Lr=結合電感比來求得勵磁電感數(shù)值：L開關管的輸出電容為100pF，死區(qū)時間：100nS，磁化電感最大值：150μH。4.2.2計算LLC電路各部分支路電壓電流（1）在選擇元器件的時候必須保證電路的可靠性和穩(wěn)定性，所以在計算元器件的電壓和電流時，應留有一定的余度，110%負載時，變壓器原邊等效負載有效值：勵磁電流：諧振電感電流：諧振電感的電流等于IR1和I根據(jù)原副邊變比計算得副邊電流：變壓器采用了帶中心抽頭結構的變壓器，負載電流由兩個副邊平分，其有效值為：I諧振電感電壓：取電感耐壓值為100V諧振電容耐壓值：電容電流ICr=I整流二極管的選?。涸谥C振變換器這個高頻率的工作狀態(tài)下，想要副邊整流電路中的二極管完成ZCS關斷，我們一般會選用快速恢復二極管，因為在這種工作狀態(tài)下一般的普通整流管已經(jīng)不能實現(xiàn)我們想要的效果。而且因為我們所采用的是帶中央抽頭變壓器的全波整流電路,它的整流電壓管的抗壓值是輸出電壓的兩倍:：兩個整流管平分了變壓器副邊的電流。可據(jù)此求得整流管流過的平均電流大?。哼x擇輸出濾波器：輸出電容不僅要對輸出電壓進行有效的濾波，而且要為負載傳輸能量，這樣輸出電壓就可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。按照現(xiàn)代汽車充電機的基本設計原則,輸出電流的紋波應該在正負百分之零點五以內(nèi)。全波整流器的輸出電流為流過輸出電容Cf5.仿真結果分析為了驗證全橋LLC諧振變換器工作原理、穩(wěn)態(tài)特性及參數(shù)設計及計算的正確性與可靠性，本課題采用PSIM軟件執(zhí)行了電路模型的搭建和仿真兩項操作。5.1方波發(fā)生器的驗證：圖5-1LLC全橋諧振變換器在正常工作情況下，MOS管必須實現(xiàn)零電壓開通，以降低開關損耗，提高充電機的工作效率。圖4.1顯示出：在MOS管兩端所輸入的電壓，一般記為輸入電壓，而在MOS管導通之前，兩端的電壓不斷下降，逐漸趨近于零，此時就能夠實現(xiàn)開關管的ZVS。5.2輸出電壓、電流波形分析：圖5-2LLC諧振變換器額定輸出48V，16A。如圖4.2所示：從圖中能夠發(fā)現(xiàn)仿真結果十分理想，也實現(xiàn)了開關管的ZVS。充電機的效率較高，同時輸出的電壓紋波也處于所設計的范圍之內(nèi)，理論計算值基本一致，達到了設計要求。結論關于電力電子許多學者都進行了分析。而現(xiàn)階段，電力電子技術以及器件發(fā)展速度越來越快，開關電源技術也開始朝著高頻化、集成化和模塊化的理想方向發(fā)展。設備體積越來越小，設備的運行效率以及功率密度越來越高，這也讓開關電源的?？煽慷鹊玫搅嗽鰪?。全橋LLC諧振變換器可以通過軟開關技術減小電力電子器件在導通和關斷時的損耗從而提升變換器的功率。此外,如果能夠把諧振電感應Lr、勵磁電感Lm和電力變壓器一起集成的話,則將對提升諧振變換器的功率密度有極大的幫助。本文介紹了諧振變換器的分類狀況，分析了LLC諧振變換器在不同的電路拓撲結構中的特點，選擇了一個最適合的結構。詳細分析了LLC全橋諧振變換器在感性區(qū)間的不同頻率范圍內(nèi)的工作過程，確定了滿足輸出電壓范圍的工作區(qū)域，進行而對該區(qū)域內(nèi)諧振參數(shù)的優(yōu)化選取、電能的傳輸效率進行了詳細研究分析，并根據(jù)設計方法，電流參數(shù)和相應的電流值電壓都得到了確定以及