CLLC谐振变换器同步整流软开关失效分析与应对

同步整流(SR)是提高CLLC谐振变换器运行效率的有效方法,但由于功率管寄生电容等因素的影响,同步整流存在软开关失效的风险。因此,为同时实现同步整流和软开关,在变换器副边不控整流的基础上,分析了不同运行状态下同步整流软开关的失效原因,以及软开关实现的有效范围。提出了不同运行状态下的同步整流数字控制方法,可在保证实现同步整流软开关的同时,提高同步整流的运行范围,从而保证变换器在不同运行状态下的运行效率。同时,改进了不同运行状态下同步整流开通和关断时刻的计算方法,使得同步整流的控制无需电流传感器和其他额外硬件电路的参与,可应用于原本无同步整流控制相关硬件的双向CLLC谐振变换器中。搭建了实验平台,验证了所提方法的有效性。

一种基于耦合电感的高增益软开关谐振变换器

该文提出了一种具有高增益、软开关的新型谐振变换器。该谐振变换器使用耦合电感来提高电压增益,升压比不仅取决于占空比,还取决于耦合电感的变比,具有高增益的优点。此外,由于采用了有源钳位技术,漏感中的能量可以被回收利用,用来对开关管的结电容充放电提供能量,从而实现软开关。由于采用了耦合电感,所提出的变换器可以在较低的开关管电压应力的情况下实现较高的输出电压,因此可以使用低导通电阻的低压器件,从而提升系统的效率。该文分析了该谐振变换器的工作原理,并推导了输出电压、关断电流应力等参数的解析表达式。在此基础上,从理论上分析了该变换器取得软开关的条件,并对该变换器的各个器件的电压电流应力进行分析,为器件选型提供了理论依据。最后,搭建1kW实验样机,针对该文提出的基于耦合电感的谐振变换器的高增益、软开关、低电压应力、高效率等性能进行了实验验证。通过实验得出所提出的拓扑可以在10倍增益的情况下达到最高97.5%的效率,表明所提拓扑的优越性。

一种LLC谐振式软开关高频变换器研究与实现

该文对LLC谐振式高频变换器拓扑结构进行分析,详细推导了传统的LLC谐振式变换器的直流电压增益模型,提出了考虑高频变压器寄生参数和谐振电感寄生参数的优化改进方法,建立数学模型分析得到了更为精确的直流电压增益模型,进一步得到了传统增益曲线和改进后直流增益曲线对比图。以提出的改进增益模型为基础,对谐振网络归一化电感比K和品质因数Q进行详细设计,并得到了谐振槽参数的计算方法。该文还对LLC谐振变换器的硬件结构进行介绍,根据LLC谐振变换器的指标,最终搭建了硬件试验平台。试验结果表明,该LLC谐振式软开关高频变换器参数设计能够实现开关网络的零电压开通、整流网络零电流关断软开关功能。

基于双变压器LLC谐振变换器的开关电源设计

设计了一款开关电源,其硬件电路采用无桥有源PFC与双变压器LLC谐振变换器拓扑的结合,使用AUIR24427S和单片机对可控元器件进行控制。确定了双变压器LLC谐振变换器的基本参数,并使用仿真软件MATLAB/Simulink建立了变换器的仿真模型,验证了该设计的可行性。

变化负载下全桥LLC谐振变换器参数优化设计

LLC谐振变换器在软开关特性方面有一定的局限性。针对可变负载条件下LLC谐振变换器软开关特性不稳定的问题,本文结合ZVS/ZCS边界推导了软开关约束条件,提出一套基于全桥LLC谐振变换器变化负载下参数优化设计方法,以提高系统的稳定性和效率。方案不仅考虑谐振电感、电容和变压器的参数优化,还充分考虑负载变化对软开关行为的影响。文中介绍了全桥LLC谐振变换器的工作原理,并对电压增益与谐振网络阻抗特性进行较为细致的分析。根据上述设计方案搭建了一台500 W的车载充电机试验样机,在实验室条件下对样机进行测试,结果表明试验样机整机在参数优化后效率有所提升,最高效率可达96.36%。

基于双向半桥LLC谐振变换器的退役电池组均衡方法

退役电池在储能应用过程中,由于其较大的不一致性问题会导致退役电池组出现过充或过放现象,从而限制电池组整体的容量甚至引起热失控,造成安全隐患。针对以上问题,设计一种基于双向半桥LLC谐振变换器的有源均衡电路。该均衡电路通过开关阵列与隔离型双向半桥LLC谐振变换器的相互配合,能够实现单体电池与电池组整体之间的能量传递,使退役电池组中各单体电池达到能量平衡。另外,为进一步提高均衡器的均衡速度及精度,提出一种联合电压与荷电状态(SOC)共同作为均衡变量的多状态均衡控制策略。依据电池组当前不同的能量状态,在电池组静置、充电及放电3种不同状态下,分别采用不同的均衡变量以及对应的均衡策略,从而实现电池组的快速均衡。最后,通过搭建小型的均衡实验样机对6节串联电池进行均衡实验,实验结果表明,所提均衡方法具有较快的均衡速度及较好的均衡效果。

采用金豺优化的LLC谐振变换器自抗扰稳压控制

为解决LLC谐振变换器采用传统PID控制时抑制负载冲击能力差的问题,提出采用金豺优化算法(golden jackal optimization,GJO)的改进线性自抗扰控制方法。该方法基于状态空间表达式,结合降阶模型中的参数信息,改进扩张状态观测器的系数矩阵。利用频域拟合的方法获得线性自抗扰控制器参数初值,避免了繁复的人工调参过程。使用GJO算法对线性自抗扰控制器参数寻优,进一步改善控制器性能。实验结果表明,相较于PSO-PID控制器,GJO-MLADRC控制器有效提高了LLC谐振变换器在系统扰动较大的情况下的动态性能,在负载突增、突降2种工况下,调节时间分别缩短了1.5、1.0 ms,输出电压最大波动量分别减小0.10、0.05 V,改进后的LADRC控制策略有效地抑制了恒压模式下负载波动对输出电压的扰动。

宽增益高效率级联式四开关Buck-Boost LLC变换器

为了解决变频控制的桥臂共用型四开关Buck-BoostLLC级联变换器磁性元件设计和优化困难的问题,提出一种二次侧为特殊全桥整流结构的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器。通过控制二次侧开关管的交叠导通时间以拓宽变换器的电压增益。该变换器可根据不同的输入电压范围工作在交叠模式和整流模式;在不改变变换器参数的条件下将增益显著提高,能够适应更宽范围的输入电压,同时保持了变换器较高的工作效率。在两种工作模式的基础上,采用移相控制使变换器所有开关管实现零电压导通(ZVS),二极管实现零电流关断(ZCS)。结合状态平面轨迹分析法,对定频控制的级联式四开关Buck-Boost LLC变换器进行模态分析,并推导两种工作模式下的输入-输出表达式和开关管的软开关实现条件。最后,通过研制一台70~280 V输入、240 W/28 V输出的实验样机,验证了理论分析的正确性。

具有混合控制策略的宽输出双全桥LLC谐振变换器

针对宽输出电压范围应用中传统频率控制的LLC型谐振变换器存在开关频率调节范围宽、循环电流大及难实现高效运行等问题,提出1种具有定频移相-定频PWM混合控制策略的双全桥LLC型谐振变换器,以适用于较宽输出电压范围。其由2个全桥LLC型谐振变换器共用1个桥臂组合而成,输出电压通过定频移相-定频PWM混合控制进行调节,使该谐振变换器实现4倍电压增益范围以获得较宽输出电压,同时解决传统频率控制中循环电流过大及在移相控制移相角小时的软开关不能实现问题,提升系统效率。该转换器开关频率工作在谐振频率点,电压增益与负载无关且有助于磁性元件设计,在全负载范围内实现软开关。最后给出详细的电路工作原理分析并通过仿真进行验证,搭建实验平台验证了所提变换器的可行性和有效性。

定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器研究

针对宽输出电压应用中传统频率控制LLC谐振变换器工作频率范围宽且存在较大循环电流的问题,提出1种定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器。根据原边侧结构的不同,所提变换器有3种拓扑结构形式,分别为半桥-半桥双LLC谐振变换器、半桥-全桥双LLC谐振变换器、全桥-全桥双LLC谐振变换器。其中,原边侧结构并联输入,2个变压器二次侧串联输出。相较于传统频率控制LLC变换器,3种拓扑形态始终在谐振频率点工作,缩小了开关频率范围;在PWM控制策略下,可以分别实现2倍电压增益、3倍电压增益和4倍电压增益以适应宽电压场合;电路中循环电流损耗低,软开关性能良好。Simulink仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

定频移相控制六开关双谐振变换器研究

针对传统频率控制的LLC谐振变换器在宽电压应用中电压调节性能差且循环电流较大的问题,设计一种六开关双谐振LLC变换器。该变换器由2个全桥LLC谐振变换器共用1个桥臂混合组成。相较于传统的频率控制,该变换器采用定频移相控制调节输出电压,减小开关频率范围。根据2个变压器连接方式的不同,变换器有2种拓扑形态。当2个变压器顺极性串联时,变换器的增益范围为0~1,可以实现超宽输出电压;当2个变压器反极性串联时,变换器的增益范围为1~2,在工作过程中具有较小的环流损耗。2种拓扑形态下,原边开关管和副边二极管分别实现ZVS开通和ZCS关断。最后,通过Simulink仿真和实验验证了研究内容的有效性。

基于LLC谐振变换器的双向DC-DC光伏储能回路设计

针对光储逆变器的储能回路效率较低,控制较为复杂等问题,该文设计了一款基于双向全桥LLC谐振变换器的双向储能电路。对双向全桥LLC谐振变换器的正向导通特性和反向导通特性进行介绍和分析,基于采用基波分析法得到的LLC谐振变换器等效电路,推导出变换器实现软开关的条件。通过推导得到的条件对LLC谐振变换器进行硬件参数设计,并成功搭建一台样机进行实验验证,实验结果表明,变换器可以在全负载领域实验软开关,并具有较高的效率,验证了理论分析的正确性。

定频变占空比控制的倍压型宽增益LLC谐振变换器

传统LLC谐振变换器在宽电压范围应用时开关频率工作范围过宽,且电压调节性能较差。针对上述问题设计了一种定频变占空比的脉宽调制策略,该策略基于倍压结构的全桥LLC谐振变换器,通过改变原边侧开关网络工作在全桥和半桥的占空比,调节谐振槽输入电压;同时,控制副边侧双向开关,可改变整流网络工作在全桥和倍压两种整流模式的占比,最终实现4倍电压增益的调节范围。与变频控制相比,该策略下变换器负载和励磁电感对增益的影响较小,可选用较大的励磁电感来减小循环电流。变换器原边侧开关管实现ZVS导通,整流二极管实现ZCS关断。最后,仿真与实验验证了该调制策略下变换器的可行性。

基于时域模型的CLLC谐振变换器参数优化设计方法

CLLC谐振变换器能够实现双向功率传输,具有高功率密度、高效率的特点,但传统的参数设计方法步骤繁琐且求解困难。为此,深入分析CLLC谐振变换器的工作原理和工作特性,综合考虑参数对CLLC谐振变换器增益、模式切换条件、软开关和功率损耗的影响,提出一种基于时域模型的参数优化设计方法,以实现宽电压输出范围和窄频带范围。在2 kW的实验中,所提出的参数设计方法在一定频带范围内效率达到98.3%,证明了时域分析的准确性以及参数优化方法的有效性。

基于状态平面分析法的LLC谐振变换器四阶段软启动

LLC谐振变换器的启动过程是一个复杂的动态过程,现有的启动方案往往很难同时保证谐振电流在电流限值之下且启动过程迅速。为实现快速且稳定的软启动,该文提出基于状态平面分析法的LLC四阶段软启动方案。通过对LLC启动过程中状态轨迹的分析,将LLC的启动过程分为4个阶段,并对各个阶段的谐振电流进行计算,保证谐振电流的最大值不超过电流限值,根据各个阶段设计不同的实现方式,并介绍LLC四阶段软启动方案的数字控制实现方法。搭建仿真模型和实验样机,验证LLC四阶段软启动方案的安全性与快速性以及计算方法的精确性与合理性。

一种基于多谐振开关槽与Buck-Boost电路的准并联变换器

谐振开关电容变换器具有效率高、体积小、质量轻和易集成等优点,是中间母线变换器的理想拓扑,然而其不足之处在于电压比固定以及软开关特性易受谐振参数容差的影响。该文针对这两个问题,将多谐振开关槽式变换器与四开关Buck-Boost变换器进行结合,提出一种基于准并联架构的中间母线变换器,详细分析变换器的工作原理与电压增益特性。通过推导电流时域表达式详细分析谐振参数容差对变换器的影响,并给出参数设计的方法。该文研究一种合适的控制方式,完成环路补偿设计,实现输出电压的闭环控制。通过仿真和实验对上述理论和解决方案进行验证。

一种单向隔离型谐振开关电容变换器

作为隔离型单向直流变换器常用的整流器件之一,二极管结电容易与变压器漏感发生谐振,导致严重的电压尖峰问题。为此,提出一种基于二次侧移相的单向隔离型谐振开关电容变换器(UI-RSCC)拓扑,其二次侧整流单元由一个开关半桥和二极管半桥组成,避免了二次侧二极管振荡的产生,可实现所有开关器件的零电压软开关(ZVS)。该文在分析UI-RSCC拓扑的基础上,研究了其输入直流电容的电压均衡机制,提出了相应的输出电压控制策略及其软开关条件。结果表明,UI-RSCC可实现输入直流电容电压的自动均衡,降低了开关器件的电压应力;通过复用部分开关,减少了所需的开关器件数量;使用电容滤波即可实现所有开关器件的软开关,且无需额外的钳位电路。最后,通过仿真及实验结果验证了理论分析的正确性。

具有谐振软开关的高增益耦合电感组合Boost-Zeta变换器

该文提出一种适用于光伏发电系统的具有谐振软开关的高增益耦合电感组合Boost-Zeta变换器。该变换器是由Boost变换器与Zeta变换器组合并引入有源钳位支路和谐振耦合倍压单元而得到。所提变换器利用拓扑组合和耦合倍压技术实现了非常高的电压增益。利用有源钳位支路,实现了所有开关管零电压开通。同时,利用二次绕组与谐振电容谐振实现了所有二极管的零电流关断,有效地解决了二极管反向恢复问题。分析变换器的工作原理,给出变换器的各项性能参数和软开关实现条件。所提变换器还可通过叠加倍压单元进一步提升电压增益。最后,搭建一台200 W实验样机,对理论分析进行了验证。

一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器

为解决传统LLC谐振变换器在光储系统等宽电压范围应用中存在整体效率低和开关频率范围宽等问题,提出一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器。该变换器具有双通道和三通道两种工作模式,通过组合不同模式下的增益实现宽输出电压范围。变换器能在全电压范围内实现软开关,工作于固定开关频率,具有参数与磁性元件设计简单等优点。详细分析变换器各种工作模式的原理与增益特性,并明确变换器实现ZVS的条件。最终基于GaN开关器件设计并搭建一台输入电压200 V、输出电压5~20 V、最大功率200 W的实验样机,验证所提拓扑的可行性与理论分析的正确性。

集成电压平衡功能的三绕组LLC谐振变换器

当正负极母线之间功率不平衡时,双极直流配电系统面临着电压不平衡的挑战,需要电压平衡器进行均压。然而,额外电压平衡组件的引入增加了设备体积与成本,降低了变换器转换效率。提出一种用于两极直流配电系统集中式电压平衡的三绕组LLC谐振变换器,采用频率和移相的调制方式来传输功率。重要的是,它可以自动均衡两极电压,并且对负载侧的不平衡电流进行重新分配。对于所提变换器,分析其工作特性,包括均压原理、不平衡电流分配过程、软开关、损耗和器件应力。除此之外,还提出了预防变压器饱和的磁通平衡控制策略。最后,通过仿真验证变换器均压能力以及磁通平衡控制的有效性。