低壓大電流LCC諧振變換器研究

1、定稿日期 :2009-08-11作者簡(jiǎn)介 :張祖勛 (1984-, 男 , 湖 南 寧 鄉(xiāng) 人 , 碩 士 研 究 生 , 研究方向?yàn)閿?shù)字化高頻開(kāi)關(guān)電源和變頻技術(shù) 。1引 言諧振變換器是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中重要的分支 , 一般 分為串聯(lián)諧振 、 并聯(lián)諧振及串 -并聯(lián)諧振即 LCC 諧 振三大類(lèi) 1。 諧振變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是 :在寬負(fù)載范 圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān) , 易實(shí)現(xiàn)高效率 ; 諧振電流波形 呈正弦波 , 較容易解決電磁干擾問(wèn)題 。 過(guò)去 , 由于諧 振變換器對(duì)負(fù)載很敏感 , 需要采用調(diào)頻控制 , 不利于 磁性元器件和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)而發(fā)展緩慢 。 近年來(lái) , 隨著 諧振變換器專(zhuān)用控制芯片的相繼推出 , 業(yè)

2、界掀起了 研究諧振變換器的熱潮 , 特別在通信電源 、 液晶電視 背光電源 、 筆記本電腦適配器等應(yīng)用場(chǎng)合備受關(guān)注 。LCC 諧振變換器常用于高壓小電流場(chǎng)合 2-4, 但其在低壓大電流場(chǎng)合的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道 。 在此嘗試 將 LCC 諧振電路應(yīng)用到低壓大電流場(chǎng)合 , 為了滿(mǎn)足 輸出大電流 , 并降低輸出整流管的電流應(yīng)力 , 采用了 倍流整流方式 。 該方式下整流二極管與次級(jí)諧振電 容并聯(lián) , 使得二極管能夠自然換流 , 以避免反向恢復(fù) 引起的電壓振蕩和電壓尖峰 5。2LCC 諧振變換器工作模態(tài)分析倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋 LCC 諧振變換器拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)及其工作波形如圖 1所示 。 諧振電感 L r 、

3、初級(jí)諧振電容 C r 、 次級(jí)諧振電容 C s1, C s2與變壓器一起組成 LCC 諧振回路 。在分析倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋 LCC 諧振變換器 工作原理之前假設(shè) : 所有開(kāi)關(guān)管和二極管均為理 想器件 ; 所有電感 、 電容 、 變壓器均為理想器件 ; 輸出濾波電容 C f 足夠大 , 可視為恒壓源 。(1 模態(tài) 1t 0, t 1t 0時(shí)刻 , VQ 2關(guān)斷 , 初級(jí)諧振 電流 i r 流經(jīng) VQ 1的體二極管 VD 1, 為 VQ 1實(shí)現(xiàn)零電 壓開(kāi)通創(chuàng)造條件 , 所以應(yīng)在 VD 1導(dǎo)通期間向 VQ 1施低壓大電流 LCC 諧振變換器研究張祖勛 , 謝興菊 , 王志強(qiáng)(華南理工大學(xué) , 廣東

4、廣州510640摘要 :研究了倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋串并聯(lián)諧振變換器 , 即 LCC 諧振變換器在低壓大電流場(chǎng)合應(yīng)用的可行性 。 在分析 變換器工作模態(tài)的基礎(chǔ)上 , 利用基波近似法 (Fundamental Harmonic Approximation , 簡(jiǎn)稱(chēng) FHA 建立了變換器的穩(wěn)態(tài) 模型 , 推導(dǎo)出直流增益表達(dá)式 , 依此表達(dá)式在 MathCAD 軟件中繪制了不同負(fù)載下的輸出電壓 -頻率曲線 , 并根據(jù)曲線 設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)參數(shù) 。 制作了一臺(tái)輸出為 12V/1kW 的樣機(jī) , 并給出了實(shí)驗(yàn)波形 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 變換器在不同負(fù)載下均 能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān) , 證明 LCC 諧振變換器可以應(yīng)用于低壓

5、大電流場(chǎng)合 。 關(guān)鍵詞 :諧振變換器 ; 低壓大電流 ; 軟開(kāi)關(guān) ; 倍流整流 中圖分類(lèi)號(hào) :TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1000-100X (2010 03-0065-03Research on Low -voltage High -current LCC Resonant ConverterZHANG Zu -xun , XIE Xing -ju , WANG Zhi -qiang(South China University of Technology , Guangzhou 510640, China Keywords :resonant converter ; low -vo

6、ltage high -current ; soft -switching ; current -double rectification圖 1LCC 諧振變換器主電路拓?fù)浼爸饕ぷ鞑ㄐ渭域?qū)動(dòng)信號(hào) 。 次級(jí)諧振電容 C s2電壓 u C s2在 t 0時(shí)刻達(dá) 到峰值 , 在 t 0, t 1間隔內(nèi)向?yàn)V波電感 L f2放電 , 以維持 L f2電流基本不變 。 當(dāng) i r 過(guò)零時(shí) , 該模態(tài)結(jié)束 。 (2 模態(tài) 2t 1, t 2t 1時(shí)刻 , i r 過(guò)零 , VQ 1開(kāi)通 , 輸 入電壓源 U in 開(kāi)始向變換器次級(jí)傳遞能量 。 次級(jí)諧 振電流 i s 在 t 1時(shí)刻過(guò)零 , C s2分別向

7、 L f1, L f2放電 。 當(dāng) u C s2下降為零時(shí) , 該模態(tài)結(jié)束 。(3 模態(tài) 3t 2, t 3t 2時(shí)刻 , C s2放電完畢 , u C s2下 降為零 , 使得整流管 VD r2自然導(dǎo)通 , 此時(shí) i s 剛好與 I o1相等 。 t 2, t 3間隔內(nèi) , VQ 1始終導(dǎo)通 , U in 不斷向次 級(jí)傳遞能量 , i s 除了維持 I o1外 , 還向 C s1充電 。 在 VQ 1關(guān)斷時(shí)刻 , 該模態(tài)結(jié)束 。模 態(tài) 4、 模 態(tài) 5、 模 態(tài) 6由 對(duì) 稱(chēng) 性 可 得 到 與 模 態(tài) 1、 模態(tài) 2、 模態(tài) 3類(lèi)似的結(jié)果 , 不再贅述 。3LCC 諧振變換器穩(wěn)態(tài)建模諧振變

8、換器穩(wěn)態(tài)建模的目的是得到不同開(kāi)關(guān)頻 率下變換器的輸出增益表達(dá)式及增益曲線 , 指導(dǎo)變 換器參數(shù)設(shè)計(jì) 。 迄今 , 已有多種建模方法 。 應(yīng)用基波 近似法可將諧振變換器簡(jiǎn)化為一個(gè)線性電路 , 從而 可采用傳統(tǒng)的交流分析法得到增益表達(dá)式 。 為了簡(jiǎn) 化分析過(guò)程 , 將變 換 器 分 為 如 圖 2所示的開(kāi)關(guān)網(wǎng) 絡(luò) 、 諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò) 3個(gè)環(huán)節(jié) 。3.1開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)建模設(shè) f s 為初級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率 , s 為角頻 率 , U in 為變換器輸入直流電壓 , U r (t 為開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓 。 實(shí)際工作中 , U r (t 是幅值為 U in 、 頻率為 f s 、 占空比為 50%的方波 ,

9、由傅里葉變換可得其基波分量 U rFH (t = (2/ U in sin s t , 開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)輸出電流即諧振電流 I r (t 的波形已在圖 1中給出 , 此處設(shè) I r (t =I p sin (s t -, 為諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗角 , I p 為諧振電流峰值 。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入電流 I in 是直流電壓源的輸出 電流 。 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi) , 只有當(dāng) VQ 1導(dǎo)通時(shí) , U in 才 向開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳送有功功率 , 因此有 :I in =2 sT s /2乙 I p sin (s t - d t =2I p cos (1經(jīng)推導(dǎo)得出開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)等效模型 , 如圖 3所示 。3.2輸出網(wǎng)絡(luò)建模為了得到負(fù)載

10、在諧振網(wǎng)絡(luò)中的等效阻抗 , 需先 對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)建模 。 由圖 1b 可知 , 整流器由頻率為 f s 的準(zhǔn)正弦波電壓源驅(qū)動(dòng) 。 因?yàn)?VD r1和 VD r2以 50%占空比交替導(dǎo)通 , 所以整流器可簡(jiǎn)化成圖 4所示的 形式 , 頻率為 2f s 。根據(jù)輸出網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓平均值與輸出電壓 U o 相等 , 忽略濾波電感損耗和電容損耗的情況下 , 輸入功率與負(fù)載消耗的功率相等兩個(gè)條件 , 可得輸 出網(wǎng)絡(luò)的等效輸入阻抗 R eq =(2/8(U o /I o =(2/8 R L , 推導(dǎo)可得輸出網(wǎng)絡(luò)等效模型如圖 5所示 。3.3諧振網(wǎng)絡(luò)建模由圖 1b 可知 , C s1, C s2在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)以

11、 50%的占空比交替充放電 , 從諧振網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看 , 相當(dāng) 于單個(gè)諧振電容以 100%占空比全程參與諧振 。 因 此可將諧振網(wǎng)絡(luò)等效為圖 6形式 。 設(shè) n 為變壓器匝 比 , C s 為次級(jí)等效電容 , 則有 C s1=C s2=n 2C s , R ac =n 2R eq , U o (t =nU s (t 。 由此可得變換器直流增益表達(dá)式為 : Uin=41( (s r e (r r 姨(2 式中 :A =C s /C r ; C e =C r C s /(C r +C s ; B=8P o /(n 22U o 2, P o 為輸出功 率 ; F =s /r -r /s , r =1

12、/r r姨 。由以上分析可得倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋 LCC 諧 振變換器的等效模型 , 如圖 7所示 。在 MathCAD 軟件中 , 可根據(jù)圖 7繪出不同負(fù)載 下的電壓增益曲線 , 如圖 8所示 。 通過(guò)調(diào)整電路參 數(shù) , 即可得到合適的增益曲線和工作頻率范圍 。圖 3開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)等效模型圖 4簡(jiǎn)化的輸出網(wǎng)絡(luò)圖 5輸出網(wǎng)絡(luò)的等效模型圖 6簡(jiǎn)化的諧振網(wǎng)絡(luò)圖 7倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋 LCC 諧振變換器等效模型圖 2倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋 LCC 諧振變換器模型圖 8輸出電壓增益曲線4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了考查倍流整流不對(duì)稱(chēng)半橋 LCC 諧振變換 器的工作特性 , 制作了一臺(tái)以 NCP1395A 為控制器 的 12V/

13、1kW 樣機(jī) , 具體參數(shù) :U in =360400V , 變壓 器 初 級(jí) 為 14匝 , 次 級(jí) 為 2匝 , 采 用 PQ3220磁 芯 ,TP4S 材質(zhì) ; L r =58H , T26.9×14.7×11.1環(huán)形磁芯 , -2材質(zhì) ; C r =37.6nF , C s1=C s2=800nF , PHE450材質(zhì) ; 開(kāi)關(guān) 管 VQ 1, VQ 2型號(hào)為 IPW60R099, 整流二極管 VD r1, VD r2型號(hào)為 IR40CPQ100。 實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖 9。圖 9a c 為不同負(fù)載下變換器開(kāi)關(guān)管 VQ 1的驅(qū) 動(dòng)電壓 u gsVQ1、 漏 -源電壓 u d

14、sVQ1、 正向電流 i VQ1(負(fù)向部 分為體二極管 VD 1導(dǎo)通時(shí)的波形 及諧振電流 i r 波 形 。 該圖表明 , 在不同的負(fù)載情況下 , VQ 1均能實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通 ; i r 波形近似為正弦波 , 隨著負(fù)載的增加 ,近似程度越高 , 并且體二極管導(dǎo)通時(shí)間在整個(gè)開(kāi)關(guān) 周期內(nèi)占的比例越來(lái)越小 , 有利于優(yōu)化變換器效率 。 次級(jí)整流二極管同樣實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)關(guān) , 在此不一 一給出波形 。 由圖 9d 所示變換器效率曲線可見(jiàn) , 效 率隨著負(fù)載加重而平緩上升 。 若采用同步整流 , 效率 將得到進(jìn)一步提高 。5結(jié) 論研究了 LCC 諧振變換器在低壓大電流場(chǎng)合應(yīng) 用的可行性 。 在模態(tài)分析

15、的基礎(chǔ)上得到了變換器的 等效模型以及直流增益表達(dá)式 , 利用 MathCAD 軟件 繪制出輸出電壓 -頻率曲線 , 并通過(guò)調(diào)整曲線的形 狀 , 得到一組合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù) 。 制作了一臺(tái)輸出為12V/1kW 樣機(jī) , 實(shí)驗(yàn)證明 LCC 諧振變換器應(yīng)用在低壓大電流場(chǎng)合是可行的 , 變換器在不同負(fù)載范圍 內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān) 。參考文獻(xiàn)1阮新波 , 嚴(yán)仰光 . 直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù) M.北京 :科 學(xué)出版社 , 2000. 2孫向東 , 段龍 . 高壓直流 LCC 諧振變換器的分 析 與 設(shè)計(jì) J.電工技術(shù)學(xué)報(bào) , 2002, 17(5:60-64.3鐘和清 , 徐至新 . 軟開(kāi)關(guān)高 壓 開(kāi) 關(guān) 電

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17、率跟蹤控制 , 使串聯(lián)諧振全橋變換 器的開(kāi)關(guān)頻率始終工作在諧振頻率處 , 實(shí)現(xiàn)了泥漿 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子側(cè)的最大功率耦合和輸出電壓的 相對(duì)穩(wěn)定 , 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性 。 但在實(shí)際電路中 , 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻 、 變壓器和諧振元 件的寄生電阻以及線路電阻等會(huì)引起功率的損耗以 及輸出電壓的下降 , 需作進(jìn)一步探討 。參考文獻(xiàn)1J G Hayes , M G Egan.Rectifier -compensated Fundamental Mode Approximation Analysis of the Series Parallel LCLC Family of Resonant

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