應(yīng)用于寬增益范圍的多磁路LLC變換器新拓撲的研究

發(fā)布時間：2020-07-06 23:18

【摘要】：電力電子技術(shù)的發(fā)展一直朝向著小型化,高頻化,模塊化,普適化的方向發(fā)展。許多應(yīng)用場合都對電力電子的工作范圍提出了新的挑戰(zhàn)。如在太陽能風(fēng)能發(fā)電的應(yīng)用中,需要變換器能在各種天氣狀況,將變化范圍寬的輸入電壓轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的穩(wěn)定輸出電壓;又如在數(shù)據(jù)中心的電源芯片應(yīng)用中,可以迅速的調(diào)節(jié)對各類負載供能;如在電動汽車的充電過程中,能對一定范圍內(nèi)變化的鋰電池電壓進行高效的充電與管理;車載電子的供電時,為適應(yīng)不同電壓等級電池電壓提供穩(wěn)定的車載電子供電。這些應(yīng)用都要求變換器的不僅在某一個特定工作點具有良好的表現(xiàn),而是需要在整個工作范圍內(nèi)都高效,低損耗。LLC諧振變換器具有寬范圍調(diào)壓能力,全狀態(tài)零電壓開通,二極管無反向恢復(fù)等特性使其效率高,能量密度高。本文中通過分析LLC的時域波形,建立了幾個常見模態(tài)的時域模型,分析了各個模態(tài)下變換器的增益范圍變化,功率變化,開關(guān)頻率變化之間的關(guān)系,得到了LLC變換器的增益曲線。同時確定了各個模態(tài)的空間分布,分析了模態(tài)之間互相轉(zhuǎn)換的邊界條件。最后分析了發(fā)生在增益最大點的峰值模式,并根據(jù)峰值的軌跡曲線提出了LLC在寬增益范圍時的設(shè)計思路。本文在計算了LLC變換器在一組寬增益變化的應(yīng)用中,說明了其循環(huán)能量高,損耗嚴重,磁性器件設(shè)計困難,控制曲線非線性高等特點,以變化變壓器等效變比的思路提出了一種多磁路LLC變換器的新拓撲。本文分析了新拓撲的工作模式,計算推導(dǎo)了新拓撲的等效電路,通過比較在峰值設(shè)計的情況下兩個變換器的特點,對一寬增益應(yīng)用設(shè)計了兩套變換器的方案,說明了新拓撲的一系列優(yōu)點:在最大損耗點,損耗同比降低約42%,更小的循環(huán)能量,更小的輸出電流紋波(降低約26%),更小的元件應(yīng)力(降低約50%),更少的元器件功率(降低約48%),更線性化的增益控制等。本文詳細分析了新拓撲多磁路LLC變換器的調(diào)制方式,對比了不同調(diào)制方式帶來的影響,給出了不同模式下最適合的調(diào)制方式。通過LLC的時域模型,通過狀態(tài)軌跡法,分析了多磁路LLC變換器的負載突變時的細節(jié)波形,給出了一種最優(yōu)狀態(tài)軌跡控制方法,通過計算得出了對應(yīng)不同負載變化時,最優(yōu)的過渡狀態(tài)的開關(guān)周期,并通過仿真驗證了其無電流毛刺,響應(yīng)速度快等特性。本文通過對LLC變換器的電感與變壓器工作模式的分析,提出了基于時域模型的磁體優(yōu)化方案,新舊兩個拓撲的兩套方案的電感與變壓器提出了對應(yīng)的設(shè)計。LLC變換器的電感工作于交流模式,變壓器有著勵磁電感量的限制,本文以此提出了電感與變壓器的最小損耗設(shè)計步驟。提取了幾個磁芯廠家的磁芯系數(shù),提出了針對于新舊兩種拓撲的最優(yōu)磁芯評價標準,根據(jù)最小損耗模型設(shè)計了繞組最優(yōu)匝數(shù),最終給出了新舊兩套變換器電感與變壓器的設(shè)計方案。最后本文對新舊兩套變換器的設(shè)計方案,以耐壓耐流與ZVS邊界選擇了開關(guān)管型號,并根據(jù)本文設(shè)計的2kW搭建了多磁路LLC變換器電路,通過多組不同輸入輸出情況的開環(huán)實驗驗證了拓撲多模態(tài)變化的有效性,并對比了實驗增益曲線與理論值,驗證了設(shè)計的正確性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM46
【圖文】：

風(fēng)能,發(fā)電容量,全球,能量波動