《車載LLC電路參數(shù)的設(shè)計(jì)及計(jì)算探究》13000字（論文）

車載LLC電路參數(shù)的設(shè)計(jì)及計(jì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 373131.3本文研究?jī)?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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇 8175142.4LLC諧振變換器主電路的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì) 17217154.1全橋LLC電路的性能指標(biāo)及參數(shù)定義 1772574.2主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟： 1828013全波整流器的輸出電流為 2176585.仿真結(jié)果分析 2144025.1方波發(fā)生器的驗(yàn)證： 2164785.2輸出電壓、電流波形分析： 21190836.結(jié)論 2219411參考文獻(xiàn) 23摘要近年來隨著新能源的不斷發(fā)展充電機(jī)技術(shù)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(dāng)今電動(dòng)汽車中這次充電器已經(jīng)成為了不可或缺的一個(gè)組成部分，同時(shí)也在電動(dòng)汽車全面高速發(fā)展有著至關(guān)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(shì)，因此設(shè)計(jì)車載LLC電路具有廣泛的市場(chǎng)前景。本課題將對(duì)車載LLC電路大家相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行深入探討。從工作原理角度來針對(duì)車載電路進(jìn)行全面分析之后，根據(jù)車載LLC電路原始設(shè)定的性能指標(biāo)，應(yīng)用相關(guān)公式計(jì)算電路各功能各部分的參數(shù)，確定相應(yīng)的元件指標(biāo)，然后應(yīng)用PSIM仿真軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，再進(jìn)行電路的調(diào)試，得到相應(yīng)的波形以及數(shù)據(jù)，最后對(duì)參數(shù)及運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，由此來研究電路模型。關(guān)鍵詞 車載LLC；汽車能源；大功率；效率；參數(shù)設(shè)計(jì)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(jī)技術(shù)的不斷提升，新能源汽車市場(chǎng)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(yùn)用各種技術(shù)的充電方式給汽車完成電池的續(xù)航，從而使汽車獲得動(dòng)力，這樣一來，不僅避免了以往對(duì)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(jìn)目前汽車行業(yè)的發(fā)展，所以充電機(jī)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(dòng)汽車在使用過程中車載充電器成為了不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)也在電動(dòng)汽車全面高速發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。目前，市面上的新能源電動(dòng)汽車中的蓄電池的電壓一般都在200V到500V之間，并且習(xí)慣于使用橋式變換器。而在我們現(xiàn)實(shí)生活中的設(shè)計(jì)過程中，如果想要減少變換器的體積,就必須要增加開關(guān)的頻率，當(dāng)然，這同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步增加開關(guān)損耗，并極大影響其效率，由此可以看出，開關(guān)效率的有效提升也非常重要，諧振變換器在實(shí)際的利用過程中體現(xiàn)出了以下一些優(yōu)勢(shì)：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(duì)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(shí)際應(yīng)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(shì);④輸入電壓和輸出負(fù)載范圍相對(duì)較寬的情況下其電壓調(diào)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(yīng)力相對(duì)較弱；⑥可以在變壓器中實(shí)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(lì)磁電感。因此設(shè)計(jì)車載LLC電路就具有廣泛的市場(chǎng)前途，本課題對(duì)車載LLC電路的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。相比于傳統(tǒng)的PWM（脈沖寬度調(diào)制）變換器，LLC變換器在實(shí)際應(yīng)用過程中針對(duì)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(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。傳統(tǒng)采取硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路往往會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的開關(guān)損耗，而在該諧振變換器中通過充分利用逆變橋中四個(gè)主MOS管的零電壓開通和整流電路中二極管的零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)，能夠極大限度的降低對(duì)開關(guān)電源的消耗,從而提升了功率變換器的工作質(zhì)量。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀針對(duì)諧振變換器目前國(guó)內(nèi)外主要是在同步整流、變壓器集成、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、控制模式調(diào)整等幾個(gè)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(shù)來進(jìn)行對(duì)整流設(shè)備損耗的高效管理,其重點(diǎn)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(jìn)而有效提升DC-DC轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)多路輸出通常情況下是以正反激式結(jié)構(gòu)或者半橋加交流母線來達(dá)成，但是在利用正反激式結(jié)構(gòu)的情況下變壓器會(huì)出現(xiàn)耦合和繞制相對(duì)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(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。(3)變壓器磁集成：磁集成技術(shù)如果要應(yīng)用于較小功率的功耗下實(shí)際應(yīng)用的變壓器體積、數(shù)量之和費(fèi)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(shè)計(jì)方法的改善及調(diào)整控制模式。在設(shè)計(jì)方法方面不僅有經(jīng)典設(shè)計(jì)方法，而且也會(huì)經(jīng)常應(yīng)用到基于諧振電流的設(shè)計(jì)以及在額定功率下的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，LLC諧振變換器大多采用模擬控制技術(shù)，但是近年來對(duì)于數(shù)字控制技術(shù)的研究和應(yīng)用也在慢慢增加1.3本文研究?jī)?nèi)容本課題將從大功率LLC電路中各部分功能模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法對(duì)諧振變換器進(jìn)行分析和研究，與此同時(shí)也還針對(duì)不同工況需求下諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而針對(duì)諧振變換器總結(jié)出了效率更高、簡(jiǎn)單易懂的一種算術(shù)設(shè)計(jì)方法。利用該設(shè)計(jì)方法能夠讓諧振變換器電壓輸出達(dá)到400-600V，而且完全可以達(dá)成48V、800W高效率輸出的轉(zhuǎn)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(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)，當(dāng)電壓或者電流出現(xiàn)過零點(diǎn)，這樣就會(huì)導(dǎo)通或者是關(guān)斷開關(guān)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(guān)模式下的零電壓導(dǎo)通或者零電流關(guān)斷。不僅如此，而且,諧振變換器還能夠很好的做到了對(duì)開關(guān)元件損耗的有效調(diào)節(jié)，同時(shí)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(jìn)行串聯(lián)后共同組成，下圖1-1表示的是其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(luò)，以及諧振槽所構(gòu)成。其中全橋逆變網(wǎng)絡(luò)由四個(gè)MOS管Q1-Q4構(gòu)成，對(duì)應(yīng)的四個(gè)體二極管D1-D4，以及MOS管的寄生電容C1-C4。當(dāng)其正常工作時(shí),由在各個(gè)橋臂上的兩個(gè)MOS管輪流導(dǎo)通，并同時(shí)設(shè)置了相應(yīng)的導(dǎo)通與死區(qū)時(shí)間，可以利用這種方法圖1-1從結(jié)構(gòu)層面來看，負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)屬于串聯(lián)連接方式，因此諧振網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際阻抗的大小與開關(guān)頻率有關(guān)，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(fù)載阻抗加上諧振槽的阻抗，分子是負(fù)載阻抗，因此串聯(lián)諧振變換器的電壓增益永遠(yuǎn)小于1。根據(jù)電路理論中的阻抗分壓定律，當(dāng)開關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，此時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗最小，非常接近于零，而且是在負(fù)載的兩端施加了全部電壓，因此能夠充分保障電壓增益達(dá)到最大1。另外，在整個(gè)電路中諧振電容C屬于串聯(lián)連接，因此完全能夠達(dá)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(diǎn)可得知，要想在原邊MOS管的ZVS中真正得到實(shí)現(xiàn)，它的工作頻率必然要比在諧振電感感應(yīng)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(shí)際利用過程中要想保持輸出電壓穩(wěn)定可以通過開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)，但是，存在一些情況時(shí)，輸出電壓可能會(huì)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(huì)比較平緩，這時(shí)就要開關(guān)頻率的變化范圍要很廣這就有可能導(dǎo)致輸出電壓不可以針對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)之后實(shí)現(xiàn)調(diào)整。如果實(shí)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(huì)升高，進(jìn)而遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，造成諧振阻抗變大，在這種情況下諧振網(wǎng)絡(luò)的消耗也會(huì)進(jìn)一步增加，因此必然會(huì)影響其整體的運(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)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(gòu)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(duì)于并聯(lián)全橋諧振變換器來說，要想實(shí)現(xiàn)MOS管的零電壓開通，那么開關(guān)管的頻率需要大于諧振頻率，同時(shí)還要保證諧振槽中電壓相位超前于電流相位，使得整個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗為感性狀態(tài)。輕載的時(shí)候，電壓增益曲線陡峭，開關(guān)頻率的變化范圍較窄。并聯(lián)全橋諧振變換器的缺點(diǎn)是：重載時(shí)調(diào)節(jié)特性差，輕載時(shí)，諧振環(huán)路中的電能多；對(duì)整流網(wǎng)絡(luò)總電容的電流脈動(dòng)的需求小，并且有一個(gè)電感值較大的濾波電感，會(huì)使得充電機(jī)的功率密度增大同時(shí)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(jié)構(gòu)，根據(jù)該圖可以知道其分別使用了兩個(gè)電容和一個(gè)電感配置在諧振槽共同構(gòu)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(gè)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(gè)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(shì)，所以，LCC所容許的負(fù)載變換范圍相當(dāng)廣泛。LLC諧振變換器中,因?yàn)榇?lián)電容器的影響而使整個(gè)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(huì)減小，回路的能力減小。在輕載的環(huán)境下時(shí)，電壓輸出增益也可以實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。而要想實(shí)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(diǎn)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(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的損耗也會(huì)增加，開關(guān)損耗與PWM變換器相似副邊的整流電路都需要加一個(gè)濾波電感，這會(huì)導(dǎo)致整流二極管在反向回復(fù)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(chǎng)景下應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的需要合理的進(jìn)行分析并進(jìn)行選型。我們需要選擇更具有效率優(yōu)勢(shì)的諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而對(duì)于諧振變換器來說，在寬電壓輸入或全負(fù)載變化下都能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，能很好的滿足人們對(duì)效率和工作可靠性的要求2.2MOSFET的分析及選取隨著人們對(duì)于效率的追求，電源開關(guān)及電力電子器件技術(shù)都在不斷的進(jìn)步，在充電機(jī)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(jī)中主流的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，在高頻率的工作環(huán)境下，一般會(huì)選擇MOSFET作為電路主開關(guān)電力MOSFET在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中也得到廣泛的應(yīng)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(shí)現(xiàn)有效控制，其在實(shí)際利用過程中的驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，而且整體功率相對(duì)較小，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關(guān)，在高頻電路中的應(yīng)用具有較強(qiáng)適用性。對(duì)于電路來說，的三個(gè)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(guān)系：在上述的關(guān)系中當(dāng)處在漏源極短路情況下是實(shí)際的輸入電容為，而共源極輸出電容則屬于，Crss是反向轉(zhuǎn)移電容電力輸出電容會(huì)受到開關(guān)損耗的直接影響，處于電路硬開關(guān)模式的情況下是，隨著其等效輸出電容的不斷增加，也會(huì)產(chǎn)生更多的開關(guān)損耗，但是實(shí)際會(huì)存儲(chǔ)更多電能。鑒于這種狀況，針對(duì)處在電路硬開關(guān)工況下的電力開通和觀察損耗進(jìn)行全面分析，能夠?qū)崿F(xiàn)器件損耗特性的深入了解。而對(duì)于電力來說，其本身產(chǎn)生的關(guān)斷損耗非常小，而且是存儲(chǔ)在輸出電容上的電能導(dǎo)致出現(xiàn)了開關(guān)損耗。鑒于這種狀況，選用電力MOSFET作為電路主開關(guān)器件，在觸發(fā)電力MOSFET前，使等效電容中存儲(chǔ)的能量降為零，進(jìn)而減少開關(guān)損耗量,為開關(guān)管上進(jìn)行零電壓開關(guān)試驗(yàn)作好準(zhǔn)備。2.3諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇2.3.1逆變網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于全橋逆變電路來說少了2個(gè)電力MOSFET管，使用的器件較少，可以節(jié)約成本，但是同時(shí)也會(huì)帶來一些缺點(diǎn)，就是輸出電壓的幅值Vo僅能達(dá)到一半，所以會(huì)大量應(yīng)用在小功率電流中。而與全橋逆變電路相對(duì)比,帶中心抽頭變壓器的開關(guān)電源器件設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用數(shù)量?jī)H為一半左右,而與全橋逆變電路相對(duì)比,其實(shí)際負(fù)載電流將會(huì)提高一倍左右2.3.2整流網(wǎng)絡(luò)的選取整流電路電力電子電路中用于交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能供直流用電設(shè)備，整流電路中最常見的四種結(jié)構(gòu)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(chǔ)電路。下面對(duì)這幾種整流電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：（1）半波整流電路:該整流單元電路的構(gòu)造非常簡(jiǎn)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(huì)把它應(yīng)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(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候也變得更加輕松，但是缺點(diǎn)是必須要將兩個(gè)副邊繞組配置在變壓器中，因此在設(shè)計(jì)過程中如果面臨低電壓大電流場(chǎng)合的情況下難度會(huì)進(jìn)一步增加，因此通常會(huì)在輸出電流較大的電路中應(yīng)用。(3)橋式全波整流電路:由于僅僅需要為變壓器負(fù)邊配置一個(gè)繞組，因此其整體結(jié)構(gòu)形式更加簡(jiǎn)單，但是在應(yīng)用過程中整流二極管的數(shù)量為四個(gè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)成本增加，通常僅僅是應(yīng)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(gè)副邊繞組，電路的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且在其副邊整流電路中實(shí)際產(chǎn)生電流的有效值相對(duì)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?fù)鋾r(shí)，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(shí)際的器件選型、可靠性和成本等因素；一般我們會(huì)采用全波整流電路來將電路的損耗和回路的壓降進(jìn)行有效控制；而通常情況下會(huì)利用半波直流電路來設(shè)計(jì)小功率的正激、反激等相關(guān)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(biāo)以及初步分析，本課題的LLC電路主要是將一個(gè)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(jié)構(gòu)及原理2.4.1LLC諧振變換器主電路結(jié)構(gòu)我們的主要研究范圍全橋LLC諧振變換器，從其結(jié)構(gòu)上來看具有非常鮮明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體的組成全橋變換器結(jié)構(gòu)和諧振電路結(jié)構(gòu)的組合，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容如圖。從圖上可以清楚的看到變壓器的結(jié)構(gòu)圖，分別連接了四個(gè)開關(guān)管（Q1、Q2、Q3、Q4）和三個(gè)諧振器件（諧振電容Cr、諧振電感Lp、勵(lì)磁電感Lm），副邊的結(jié)構(gòu)也可以明顯地看到全波整流的特點(diǎn)。圖2-1如上圖所示，主電路可以分為四個(gè)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(luò):將方波電壓轉(zhuǎn)化為正弦電流(3)整流濾波網(wǎng)絡(luò):濾除紋波(4)輸出負(fù)載其中方波發(fā)生器主要是由四個(gè)MOS管所構(gòu)成的全橋構(gòu)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(shí)，為了防止發(fā)生上下兩個(gè)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(shí)長(zhǎng)；所謂的諧振網(wǎng)絡(luò)，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(lì)磁電感，具體來看Lm也可以集成為電壓器的漏感當(dāng)中，因此諧振網(wǎng)絡(luò)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(shí)候工作頻率高，超出諧振點(diǎn)fs。而當(dāng)功率要求高的時(shí)候，需要降低開關(guān)頻率。因此LLC諧振變換器一般按頻率的高低分為五個(gè)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(diǎn)；（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?yàn)榻?jīng)過測(cè)算結(jié)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(diǎn)，經(jīng)過測(cè)算發(fā)現(xiàn)輸入電流的電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)這三種狀態(tài)情況進(jìn)行分析：當(dāng)開關(guān)頻率fs沒有超過fr時(shí)，通過測(cè)算可以看到通過并聯(lián)方式聯(lián)通的負(fù)載和勵(lì)磁電感Lm在阻抗方面表現(xiàn)出了明顯的感性特點(diǎn)，諧振電感Lr與諧振電容也同理，可以得出的結(jié)論是阻抗處于感性狀態(tài)。（2）當(dāng)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(gè)串聯(lián)諧振，但經(jīng)過計(jì)算后得到的此時(shí)并不是有效電阻,而采用串聯(lián)方法連接的勵(lì)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(dāng)fmin<fs<fr時(shí)，通過串聯(lián)方式連接的諧振電感Lm與諧振電容Cr通過測(cè)算發(fā)現(xiàn)處于容性阻抗?fàn)顟B(tài)，通過并聯(lián)方式連接的負(fù)載與勵(lì)磁電感Lm通過測(cè)算發(fā)現(xiàn)處于感性阻抗。電路與這個(gè)頻率范圍之內(nèi)，輸入阻抗是感性還是容性是由開關(guān)頻率和負(fù)載產(chǎn)生影響的。對(duì)于輸入阻抗是感性還是容性是由開關(guān)電源頻譜和負(fù)載變化產(chǎn)生影響的。所以在負(fù)荷恒定的時(shí)候，開關(guān)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(zhì)；相反，當(dāng)開關(guān)電源頻率越是偏離諧振頻率的時(shí)候，輸入阻抗就越是易呈現(xiàn)出容性性質(zhì)；當(dāng)頻率恒定負(fù)荷逐漸發(fā)生變化的時(shí)候，當(dāng)負(fù)荷越來越小的時(shí)候，輸入阻抗呈現(xiàn)出感性，而當(dāng)負(fù)荷逐漸增大的時(shí)候，因此LLC諧振變換器可分成三個(gè)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(gè)部分。理想情況下LLC諧振變換器均應(yīng)該工作在ZVS的狀態(tài)下，進(jìn)而可以得出的結(jié)論是對(duì)于LLC諧振變換器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)應(yīng)該避開的工作區(qū)域。當(dāng)面對(duì)理想LLC諧振變換器的時(shí)候，理論上最小工作頻率可直接由輸入阻抗的表達(dá)式推導(dǎo)得到，進(jìn)而進(jìn)行精確計(jì)算，結(jié)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(jié)構(gòu)時(shí)最需要觀察穩(wěn)態(tài)特性，對(duì)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(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)、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(yùn)行，各項(xiàng)功能可以正常實(shí)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(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得其能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，因此主要針對(duì)ZVS的增益和效率特性兩個(gè)角度闡述。當(dāng)變換器工作在諧振頻率附近時(shí),交流諧振電路也可認(rèn)為是由一種等價(jià)的正弦輸入激勵(lì)，并且與諧振電感、諧振電容、勵(lì)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(jià)的,而功率的計(jì)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(gòu)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(lì)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(cè)等效電阻折算到變壓器一次側(cè)，得到交流等效負(fù)載R其中，RL為負(fù)載電阻，n為變壓器初次級(jí)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(gè)衡量放大電路對(duì)輸入或輸出信息放大能力的重要度量，是關(guān)于電感比（k=LmLr）和負(fù)載之間的函數(shù)。對(duì)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(shí)考慮到電壓增益與頻率的變化特性，側(cè)重于探討其頻率特性。下圖代表的含義是當(dāng)處于直流增益的狀態(tài)下，電感比和負(fù)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(shí)際計(jì)算當(dāng)中我們需要提前確定好電感比k以及品質(zhì)因數(shù)Q的數(shù)值才能進(jìn)行更多參數(shù)的計(jì)算，由上圖分析可知，電壓增益與電感比以及品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系如下：電感比越小，電壓增益則越大。但是當(dāng)輸入電壓恒定，而電感比過大時(shí)，電壓增益會(huì)減小，也不能達(dá)到寬輸出電壓的范圍。電感比大時(shí)，電壓增益曲線的斜率小，在輸出電壓不恒定的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象是，其頻率可以更加大幅度的進(jìn)行調(diào)節(jié)，但這樣的做法會(huì)傷害到變換器。只有設(shè)定的電感不超過定值，同時(shí)諧振電感不發(fā)生較大變化，勵(lì)磁電感會(huì)相對(duì)減小，支路電流的最大值變大，此時(shí)，關(guān)斷電流就應(yīng)該為激磁電流，這樣MOS管的關(guān)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(shí)現(xiàn)。因此，我們?cè)趯?shí)際LLC電路參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)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(huì)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(guān)系。輸入電壓恒定的情況下，Q的取值更是會(huì)導(dǎo)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(guān)于LLC諧振變換器效率，主要是來自于電力電子器件在導(dǎo)通和關(guān)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(guān)損耗、諧振網(wǎng)絡(luò)中三個(gè)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(dá)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(guān)管的零電流開通。在勵(lì)磁電流的峰值還不能達(dá)到死區(qū)時(shí)間的時(shí)候,把導(dǎo)通MOS管的寄生電容器中的電量放出來,同時(shí)把關(guān)斷中的開關(guān)管的寄生電容器補(bǔ)充到輸入工作電壓上，而保證開關(guān)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(shí)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(jì)算方式可以清楚的看到，諧振頻率fr在沒有超過開關(guān)頻率fs的時(shí)侯，諧振電容可以忽略不計(jì)。當(dāng)處于空載狀態(tài)下，時(shí)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(gè)準(zhǔn)確的值，實(shí)際是接近于無窮大，因此可以得出的結(jié)論是電路的品質(zhì)因數(shù)Q忽略不計(jì)。確保了系統(tǒng)電流處在平衡的狀態(tài)，我們的開關(guān)電源頻率fs值就會(huì)隨之的提高，這時(shí)諧振變換器的直流增益設(shè)定就將趨向于一個(gè)常數(shù)，這樣才能調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓的平衡；與此同時(shí)，當(dāng)開關(guān)的電源頻率fs值不斷提高直到趨向于無窮大時(shí)，直流的增益也將會(huì)是一個(gè)常數(shù)，不過此時(shí)變換器的輸出電流也將無法調(diào)整，同時(shí)根據(jù)空載時(shí)的等效電路圖可以知道此時(shí)輸出電壓的表達(dá)式為：V在空載的時(shí)候，流經(jīng)變壓器副邊的電流無限小可以忽略不計(jì)導(dǎo)致諧振電流處于非常低的狀態(tài)，進(jìn)而造成充放電時(shí)間大大增加，甚至?xí)霈F(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(zhǔn)備條件本設(shè)計(jì)中，針對(duì)輸出電壓不可調(diào)的問題最合適的處理方式就是增加假負(fù)載，但可能會(huì)造成達(dá)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(shè)計(jì)預(yù)留了充足的死區(qū)時(shí)間來解決。3.4諧振變換器的效率模型在設(shè)定集成電路的參數(shù)或是設(shè)計(jì)一個(gè)高電耗性的產(chǎn)品時(shí)，工作效率都是一個(gè)很關(guān)鍵的性能指標(biāo)，因?yàn)橹挥性诠ぷ餍蚀_定的前提下，所設(shè)計(jì)的東西才有意義，所以在設(shè)計(jì)LLC諧振轉(zhuǎn)換器時(shí)候，一個(gè)好的工作效率模式將會(huì)為整個(gè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的工作效率模式根據(jù)在小功率應(yīng)用中，磁整體式構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器所形成的，損耗種類上主要分為開關(guān)網(wǎng)路損耗、交換變壓器損耗以及整流設(shè)備損耗，而且多根據(jù)在轉(zhuǎn)換器輕載時(shí)的狀況加以分析。對(duì)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(guān)網(wǎng)絡(luò)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(jì)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(guān)損耗，因此當(dāng)我們?cè)谑褂肔LC諧振變換器的時(shí)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(guān)斷的，所以在計(jì)算二極管的損耗時(shí)只需考慮它的導(dǎo)通損耗就行。整流損耗可由式（3-8）計(jì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致電壓其發(fā)生的變化。對(duì)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(huì)受到變換器輸入電壓的影響，可以得出的結(jié)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(shí)將MOSFET漏源極間電壓嵌位至二極管導(dǎo)通壓降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，大大降低了開關(guān)損耗，提高了效率。但是,MOSFET體內(nèi)二極管在續(xù)流導(dǎo)通的時(shí)刻總是會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，這是因?yàn)橛捎诩纳娙荼仨毑⒙?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(chǔ)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(shí)現(xiàn)續(xù)流導(dǎo)通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MOSFET的零電壓開通。由此可見，MOSFET輸出電容會(huì)對(duì)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(yùn)行，在死區(qū)時(shí)間（Td）內(nèi)，MOSFET輸出電容上存儲(chǔ)的電荷全部釋放，即由變壓器勵(lì)磁電流i4.LLC諧振變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)4.1全橋LLC電路的性能指標(biāo)及參數(shù)定義由上文對(duì)全橋LLC電路結(jié)構(gòu)原理和穩(wěn)態(tài)特性的分析能夠發(fā)現(xiàn)：諧振網(wǎng)絡(luò)中，諧振電感Lm、勵(lì)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(shè)計(jì)。有以下幾點(diǎn)需要注意：在設(shè)計(jì)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(duì)原副邊漏感做平衡處理，這樣，二者對(duì)副邊獨(dú)立點(diǎn)的影響就會(huì)逐漸抵消；（2）：ZVS實(shí)現(xiàn)。一般情況下，諧振變換器不得在ZCS區(qū)域運(yùn)行。因此，想要達(dá)到這一目的，在設(shè)計(jì)變化器的最小工作頻率時(shí)應(yīng)該要預(yù)留充足的準(zhǔn)備。本課題中設(shè)計(jì)的全橋LLC電路具體的參數(shù)指標(biāo)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(zhì)因數(shù)歸一化頻率電感比M=ffQ=fL4.2主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟：4.2.1設(shè)計(jì)變壓器原副邊變比和諧振元件值結(jié)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(guān)頻率的增大電壓增益會(huì)越來越小。最大諧振頻率點(diǎn)處，此時(shí)的諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗最小，諧振變換器的效率最高。在最佳工作點(diǎn)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(dǎo)出輸出時(shí)，負(fù)載阻抗和折算到原邊的等效電阻取電感比K值：k=品質(zhì)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(jì)算諧振電容CC諧振電感Lr：Lr=結(jié)合電感比來求得勵(lì)磁電感數(shù)值：L開關(guān)管的輸出電容為100pF，死區(qū)時(shí)間：100nS，磁化電感最大值：150μH。4.2.2計(jì)算LLC電路各部分支路電壓電流（1）在選擇元器件的時(shí)候必須保證電路的可靠性和穩(wěn)定性，所以在計(jì)算元器件的電壓和電流時(shí)，應(yīng)留有一定的余度，110%負(fù)載時(shí)，變壓器原邊等效負(fù)載有效值：勵(lì)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(jì)算得副邊電流：變壓器采用了帶中心抽頭結(jié)構(gòu)的變壓器，負(fù)載電流由兩個(gè)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整流二極管的選取：在諧振變換器這個(gè)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(guān)斷，我們一般會(huì)選用快速恢復(fù)二極管，因?yàn)樵谶@種工作狀態(tài)下一般的普通整流管已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)我們想要的效果。而且因?yàn)槲覀兯捎玫氖菐е醒氤轭^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(gè)整流管平分了變壓器副邊的電流?？蓳?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(duì)輸出電壓進(jìn)行有效的濾波，而且要為負(fù)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(jī)的基本設(shè)計(jì)原則,輸出電流的紋波應(yīng)該在正負(fù)百分之零點(diǎn)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(jié)果分析為了驗(yàn)證全橋LLC諧振變換器工作原理、穩(wěn)態(tài)特性及參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)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(xiàng)操作。5.1方波發(fā)生器的驗(yàn)證：圖5-1LLC全橋諧振變換器在正常工作情況下，MOS管必須實(shí)現(xiàn)零電壓開通，以降低開關(guān)損耗，提高充電機(jī)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(dǎo)通之前，兩端的電壓不斷下降，逐漸趨近于零，此時(shí)就能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)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(jié)果十分理想，也實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS。充電機(jī)的效率較高，同時(shí)輸出的電壓紋波也處于所設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，理論計(jì)算值基本一致，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。結(jié)論關(guān)于電力電子許多學(xué)者都進(jìn)行了分析。而現(xiàn)階段，電力電子技術(shù)以及器件發(fā)展速度越來越快，開關(guān)電源技術(shù)也開始朝著高頻化、集成化和模塊化的理想方向發(fā)展。設(shè)備體積越來越小，設(shè)備的運(yùn)行效率以及功率密度越來越高，這也讓開關(guān)電源的。可靠度得到了增強(qiáng)。全橋LLC諧振變換器可以通過軟開關(guān)技術(shù)減小電力電子器件在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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(yīng)Lr、勵(lì)磁電感Lm和電力變壓器一起集成的話,則將對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的特點(diǎn)，選擇了一個(gè)最適合的結(jié)構(gòu)。詳細(xì)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(jìn)行而對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)研究分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)方法，電流參數(shù)和相應(yīng)的電流值電壓都得到了確定以及