LLC全桥DC-DC变换器的高效能研究

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"LLC全桥DC-DC变换器论文,宫力,李晓帆教授,华中科技大学" 这篇论文探讨的是LLC全桥DC-DC变换器,这是一种在电力转换领域广泛应用的电源变换技术。LLC谐振变换器结合了零电压开关(ZVS)特性和高频率操作,使得它在开关稳压电源和LED恒流驱动等应用中具有显著优势,如大功率处理能力和高效率。 论文作者宫力在导师李晓帆教授的指导下,深入研究了LLC谐振全桥变换器的设计、工作原理以及优化策略。LLC谐振变换器的核心在于其特殊的谐振网络,通过调整谐振参数,可以在不同工作条件下实现开关器件的软开关,从而降低开关损耗,提升效率。然而,传统的全桥变换器在实现ZVS时,滞后桥臂的工作范围有限,并且整流二极管的反向恢复现象会影响效率。 论文可能涵盖了以下关键知识点: 1. LLC谐振拓扑结构:详细介绍了LLC变换器的电路构成,包括串联谐振网络(由电感L和电容C组成)和全桥开关部分。 2. ZVS工作模式:解释了如何通过谐振网络设计实现零电压开关,减少开关损耗,提高转换效率。 3. 负载调节和效率优化:讨论了如何扩大实现ZVS的负载范围,以及如何解决整流二极管反向恢复问题以提升整体系统效率。 4. 控制策略:可能涉及了脉宽调制(PWM)技术在LLC变换器中的应用,以及如何通过控制算法来实现稳定的输出电压和电流。 5. 输入电压适应性:针对输入电压较高的情况,探讨了如何改善变换器效率,使其在更宽的输入电压范围内保持高效工作。 6. 实验验证与性能分析:可能包含了实验结果和理论分析的对比,证明了设计的有效性和实际应用的可行性。 7. 系统设计与仿真:详细介绍了如何设计和优化LLC变换器的各个组成部分,以及可能用到的仿真工具,如PSpice或MATLAB/Simulink。 8. 功率密度提升:探讨了如何通过小型化设计和材料选择来提高变换器的功率密度,使其在有限的空间内处理更大的功率。 这篇论文对于理解和改进高效率、高频化的DC-DC变换器技术具有重要意义,不仅为学术研究提供了有价值的参考,也为实际工程应用提供了理论基础和实践指导。
2021-04-22 上传
关于Vicor: 美国Vicor公司是现时世界最大的高密度电源模块生产商, 同时也是全球唯一能以零电压、零电流技术大批量生产电源模块的厂家。 概要: 电力电子行业正在经历一场变革:DC 高压配电重新崛起,取代先进机器设备的 AC 输电系统 [1]。一种模块化 DC-DC 转换器现已采用多种不同的封装及电源形式提供,其可形成从低电压系统到高电压系统(工作电压在 400 ~ 100V 之间)的桥接。实验和可行性研究[1、4]为母线转换器模块 (BCM) 引擎与变压模块 (VTM) 引擎的新产品指明了方向。这两款引擎均显示了成熟的正弦振幅转换器 (SAC) 技术。目前的工作重心是为应用双向功率转换认证零部件。这里将介绍 3 种工作拓扑变型。此外,本文还将简要介绍早期实验目的及结果,以及用于克服在 SAC 部件最新部署过程中所涉及的最新挑战的相关技术。在本文的最后部分还将概括使用这一技术的应用实例。 1. 应用领域说明 1.1 动机 BCM 在过去十年间已经逐步显著改善了效率[1]。与采用新封装部署BCM 同步的趋势是, 朝着使用SAC引擎(也称之为VTM)的最新方式方向发展。SAC 是一种谐振、比例输出、 恒定功率、 隔离式以及近乎理想的 DC-DC 变压器拓扑。它能够将功率吸入其二次端口, 从而可按照高达32的K参数一步提升所应用的二次电压。此外,它还能够以极低的功率损耗直接把二次端口接收到的绝大多数电能传输给一次端口。变压比 K的倒数是一系列整数, 这些整数也正在随着新产品的提供不断扩展。未来产品所也将根据各种行业的发展趋势支持不同级别的高压到低压的连接。 1.2 对最新 SAC 工作模式进行分类 本文将介绍与使用 SAC 引擎有关的三种最新拓扑类型( 不包括常规工作方式: 正向模式) : 反向、 镜像和双向模式。需要指出的是, 要提高功率吞吐量,所有基于 SAC 的解决方案都可能会涉及许多并联部件。因此如果在下文中提到模块,可能也是指一系列完全相同的并联器件。图 1 是所有的拓扑及其控制方程式。 图 1:SAC 应用拓扑选项。 以 f(正向)、 r(反向)或 b(双向)电源转换器方式工作的 SAC 在其一次电源端口与二次电源端口之间有隔离层。灰色条代表输入与输出电源端口间的 SAC 内建电流隔离层。 在反向模式下,电源应用于 SAC 的二次电源端口。在启动后,SAC 会根据与特定模块相关的 K 因数提升电压。然后将该电压提供给与其一次电源端口相连的负载。 两个 SAC 引擎可以按镜像模式使用。电源在第一个 SAC 单元中先做反向模式升压处理,另一个与该单元通过一次端口接口连接的单元按正向模式工作,从而可将高电压轨的电压 降到客户最终设备所需的电压水平。 双向模式只部署一个SAC,目的是在激励后,该模块既能正向供电,也能反向供电,具体取决于给定时刻主动驱动 SAC 的方式。 2.0 实验及结果 2.1 建立反向模式工作 已经从针对稳态及瞬态条件评估做出的两个测试设置中收集到初步结果。 图 2 是针对在工 作台上进行长期测试而精心设计的稳态实验设备。 图 2:BCM 启动后在工作台上处于稳定工作状态的反向BCM 在启动之前, BCM 的二次电源端口为反偏置,即稳态电压应用于 BCM 的二次侧, 在没有任何不良后果的情况下,这是BCM可以承受的。BCM 随后使用单向小电流高电压电源(该电源足以偏置 BCM 内部的一次侧参考的控制器)在一次侧通电。实验中使用的电源有大型电容器组,在 SAC 的一次侧上运行负载之前,该电容器组可承受一些反向电流。使用该部件隔离层一次侧上的控制器,在启动 BCM 的时候需要延迟一次侧的负载加载,防止大量一次电流涌入该负载。负载电流将在 BCM 启动完成后加载。 在实际应用中,连接到BCM 的二次反偏置电源很可能是唯一可用的电源,可能需要使用辅助功率级来提升BCM二次侧的电压,才能在不影响 BCM 隔离层的情况下以高得多的电势为其一次端口提供电荷。 图 3 和图 4 分别显示了一次浪涌测试设置及结果。 图 3:反向 BCM 瞬态测试设置 图 4:瞬态测试结果。绿色迹线:100 倍衰减的升压输出; 红色迹线: LV 母线电压;橄榄绿迹线:受控二次侧浪涌电流。 2.2 应用空间点评 根据第一实验阶段得出的结果, BCM 组件在汽车能量收集及自适应悬架系统概念验证中得到了成功部署, 双向 BCM 实施主要基于从第一阶段实验中获得的经验。 自从第一次演示以来,客户已经分享了在系留式水下交通工具和空运设备中进行电力传输的实际需求中的应用。 这些应用可使用从电源到负载的镜像拓扑模式通过由细径电线制作的高压链路为长系索另一端的自主水下交通工具或无人机输电。典型功率级范围是1至2kW。图5 Vicor白板中显示的是一种空中