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1、摘要本科毕业设计（论文）（谐振DC/DC变换器的研究）*燕 山 大 学2012年 6月 摘 要一般说来直流变换器工作时采用PWM控制方式，此时开关管工作在硬开关状态下，会产生开关损耗，使变换器效率降低，软开关技术应运而生。谐振变换器就是直流开关电源中软开关技术的一类。谐振变换器的较成熟的研究成果包括串联谐振变换器和并联谐振变换器。串联谐振变换器由于电路结构简单，控制容易等优点，广泛应用于实际生产中。本次设计就是基于此优点的基础上设计的。本次设计中研究的主电路内容包括全桥逆变电路、LC串联谐振电路、变压器环节、桥式整流、滤波电路。控制电路选用移相控制。本文通过对串联谐振型全桥变换器的分析，详细介
2、绍了串联谐振全桥变换器的工作原理，通过等效电路的建模方法，对串联谐振型高频变换器行了数学模型分析及闭环调节器参数的设计； 变换器在串联谐振槽能量瞬时值控制的方式下，所有的功率开关管均可以工作在零开关状态，且零开关的实现不受负载大小及特性的影响；同时串联谐振变换器具有理想电压源特性，输入输出侧能够实现电气隔离。 本文在完成以上工作的基础上，进行了PSIM仿真，给出了相关的实验结果，验证了电路工作原理分析的正确性。关键词：串联谐振；DC/DC；全桥逆变；桥式整流；移相控制I 燕山大学本科生毕业设计（论文）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 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 软开关技术21.2.1 软开关技术的提出21.2.2 软开关技术的实现策略31.2.3 谐振变换器的分类41.3 基本的串联谐振与并联谐振51.3.1 串联负载谐振51.3.2 并联负载谐振61.3.3 串联谐振变换器的等效电阻7本章小结8第2章 串联谐振DC/DC变换器102.1 串联谐振变换器的宏模型102.2 串联谐振变换器综述102.3 全桥逆变电路的开关模态分析112.4 串联谐振变换器的控制方法15本章小结19第3章 串联谐振变换器的稳态模型和数学分析203.
9、1 串联谐振的稳态模型203.1.1 开关网络的稳态模型213.1.2 整流滤波网络的稳态模型223.1.3 串联谐振槽路的传递函数233.2 串联谐振的数学分析24本章小结29第4章 电路开环与闭环仿真304.1 电路开环仿真304.2 电路闭环仿真32本章小结34结论35参考文献36致谢38附录139附录243附录347附录453附录559III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用都非常广泛的电力电子装置。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，因此越来越受到各种电子设备的青睐。开关电源成为
10、现代电子系统不可缺少的组成部分，其开关频率正不断提高，其技术性能直接影响到各种电子设备的使用和发展。开关电源的核心部分是功率变换器。目前，隔离型变换器的拓扑结构主要有正激式、反激式、推挽式和谐振式等。其中谐振式变换器具有效率高、输出纹波小、滤波简单、负载可调范围大等特点。谐振变换器是由开关管加上谐振LC电路构成的，它是流过开关管的电流变为正弦波而不是方波。然后设法使开关管在正弦电流过零处导通和关断，从而大大降低了开关损耗。同时，相对硬开关PWM变换器，具有开关频率高、关断损耗小、效率高、重量轻、体积小、开关应力小等优点。所以，研究谐振变换器对开关电源的发展有很大的意义。现代电力电子装置的发展趋
11、势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求1。通常，滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。因此必须设法降低他们的体积和重量，才能达到装置的小型化、轻量化。从“电路” 的有关知识中可以知道，提高工作效率可以减小绕组匝数或者铁芯尺寸，从而使变压器小型化2。因此装置小型化、轻量化最直接的途径就是电路的高频化。但在提高开关频率的同时，开关损耗也会随之增加,电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率是不行的.针对这些问题出现了以谐振为主的辅助换流手段即软开关技术,解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大大幅提高.1.2 软开关技术1.
12、2.1 软开关技术的提出在直流变换器工作中一般采用PWM控制方式，开关管工作在硬开关（Hard switching）状态。图1.1是开关管开关时的电压和电流波形。由于开关管不是理想元件，在开通时开关管的而典雅不是立即下降为零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间内，电压和电流会有一个交叠区，产生损耗，称其为开通损耗（Turn-on loss）。当开关管关断是，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间中电压和电流又会产生一个交叠区，产生损耗称其为关断损耗（Turn-o
13、ff loss）。我们将开通损耗和关断损耗共称为开关损耗（Switching loss）3。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器的总开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。开关管工作在硬开关时还会产生高和，从而产生大的电磁干扰。图1.1 开关管开关时的电压电流波形1.2.2 软开关技术的实现策略为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关（Soft swi
14、tching）,因此软开关技术应运而生。图1.2给出了开关管实现软开关的波形图。图1.2 开关管实现软开关的波形图从前面的分析可以知道，开关损耗包括开通损耗和关断损耗。减小开通损耗有以下方法：在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电压和电流的交叠区，即所谓的零电流开通。从图1.2（a)可以看出，开通损耗大大减小。在开关管开通前使其电压下降到零，即零电压开通。从图1.2（b）看出，开通损耗基本减小到零。同时做到和，在这种情况下，开通损耗为零。同理，减小关断损耗有以下几种方法：在开关管关断前使其电流下降到零，实现零电流关断。从图1.2（a）看出，关断损耗基本为零。在开关管
15、关断时，使其电压保持在零，或者减小电压的上升率，以此来减小电压电流的交叠区，即为零电压关断。从图1.2（b）可看出，关断损耗大大减小。同时做到和，此情况下关断损耗为零。1.2.3 谐振变换器的分类变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容的来对开关的开关轨迹来进行整形，最早的方法是利用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来说，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法没有使开关管的变换效率提高，甚至还有可能下降。目前研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是损耗的转移。直流开关电源的软开关技术一般分为以下几类：全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器（Resonant converters）。该类变换器实际上是负载型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器(Series resonant converters,SRCs）和并联谐振变换器(Parall
