2kw-24v全桥llc高频谐振软开关电源的研究

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1、2kW/24V全桥LLC高频谐振软开关电源的研究第1章绪论1.1课题项目背景与研究意义随着大功率半导体开关器件的驱动电路、信号检测、保护装置的集成和智能化的发展，以及开关器件容量逐步增大和特性逐渐完善，开关电源朝着开关频率高频化、控制系统数字化、硬件电路集成化、供电系统分布化、产品性能绿色化发展。因此高频开关电源逐渐替代传统电源，成为现代船用供电电系统中的主流电源装置。至今已有IGBT、MOSFET等主功率开关器件的直流电源变换装置的研制成功并通过电磁兼容GJB试验。不难看出高频直流开关电源的先进技术在舰船直流用

2、电设备的应用中已经日渐成熟。传统型开关电源多采用硬开关技术，开关损耗高，开关频率低，硬件电路复杂。为了实现开关电源的高频化与硬件结构模块化，必须实现电源中开关器件的软开关，大大降低开关管的开通和关断过程中产生大量的损耗。软开关技术利用串联LC谐振的原理，使开关器件中的电压或电流按正弦规律变化，当电压或电流自然谐振过零时，开关器件开通或者关断，从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关技术的开关损耗高，提高转换效率，还能避免容性开通、感性关断和二极管反向恢复等问题，降低电磁干扰强度。开关电源高频化的关键所在就是实现主功

3、率管的软开关技术，这样不仅可以使开关电源小型化，还能大大提高开关电源的功率密度。本文研究的LLC谐振变换器能够很好的实现开关管的ZVS，是高频开关电源的发展方向，在船用供电电源中的应用与开发中具有重要的实际意义。本项目是导师主持的校企合作科研课题，课题名为《24V全桥LLC高频谐振变换器的研制》。........1.2直流变换器软开关技术的现状及发展直流变换是将直流电压变换成所需要的直流电压，是开关电源研发的重点。目前，直流变换技术在航空航天、舰船、计算机、通信等领域中都得到了广泛的应用，同时也促进了各行业的迅速

4、发展。近年来，从技术方面来看，直流变换技术不断朝着高频化、软开关、模块化、数字化方向不断提高。而直流变换技术的关键技术难点是开关技术，分为硬开关技术和软开关技术，软开关技术的成熟应用使直流变换器有了质的飞跃。在直流变换器中，开关管有开通和截止两个工作状态，在这两个状态时开关管的漏电流很小，损耗近似为零。开通状态与截止状态相互转换时，分为关断过程（Turn-off）和开通过程（Turn-on）。开关管开通时，其流通的电流开始上升，两端电压同时开始下降；开关管关断时，其流通的电流则开始下降，两端电压同时开始上升。电压

5、、电流波形的重叠区域表示了开关管的开通损耗和关断损耗，如图1-1所示。开关管开通和关断时，其电流和电压分别上升很快，即di/dt和dv/dt很大，因此称之为硬开关[38]。开关损耗可以分为开通损耗和关断损耗，通常的条件下，在每个相同的开关频率周期内的开关损耗是恒定不变的，因此开关损耗与开关频率是呈正比的关系，随着开关频率的提高，开关损耗会急速增加，变换器的效率也会越低，从而严重限制了开关电源的集成化和绿色化。而且硬开关过程中会产生很大的EMI电磁干扰，限制了开关电源在电磁兼容要求高的场合中的使用。图1-2给出的是

6、硬开关过程的开关轨迹。开关轨迹外侧区域则代表开关管的安全工作区SOA，与开关轨迹间隔的裕量很小。如果不能很大程度地优化开关管的开关轨迹，则开关管会很容易在安全工作区外工作，从而会导致损坏。.........第2章全桥LLC谐振变换器原理分析与建模全桥LLC谐振开关变换器以其能实现主功率管的零电压开通、次级整流二级管零电流关断的软开关技术，以及效率较高等优点，得到了广泛的应用。本章将首先对初级侧谐振电路和次级侧整流电路的拓扑类型进行简要概述，结合本文项目的技术指标，采用合适的主电路拓扑结构；进而按照工作时段的不同，

7、具体分析全桥LLC谐振变换器的工作原理；利用基波近似分析法（FHA）建立主电路的等效电路模型，并仿真出LLC谐振变换器的直流增益特性曲线，在此基础上具体分析直流增益与工作频率之间的关系；最后结合主电路工作原理与能量守恒原则推导主功率管实现ZVS开通的充分条件。2.1LLC高频谐振变换器主电路拓扑结构随着应用场合的不同和专业研究的深入，LLC谐振变换器主电路拓扑结构类型不断地完善。在LLC谐振变换器主电路中，变压器初级谐振电路主要是将直流输入电压变为方波电压，进而直流电流谐振为正弦电流，而变压器次级整流电路则是将方

8、波电压又整流成为直流电压输出。LLC初级谐振电路和LLC次级整流电路有可以几种不同的拓扑结构类型相互组合。先分别将几种常用的电路结构进行分析，并指出各自应用的场合。LLC初级谐振电路结构大体上是分为半桥式结构和全桥式结构。随着研发的不断深入，在半桥式结构和全桥式结构的基础上延伸出了不同特点的拓扑结构[22]。半桥式LLC谐振变换器如图2-1所示，电路开关器件少，设计简单，