毕业设计电流源型LCL谐振式变换器的研究

摘要

摘 要

谐振变换器可通过谐振元件的谐振实现开关管的零电压开通或零电流关断，具有较高的效率。由于开关损耗小，变换器可工作在较高频率下，它的体积小，功率密度大。谐振变换器已在DC-DC 变换器中得到了广泛应用， 并在不断地发展之中。

该毕业设计论文主要研究在一定条件下可实现输出恒流特性的LCL 谐振变换器及其品质因数优化设计，最后设计出基本控制电路。阐述 LCL 谐振变换器工作于恒流源模式下的工作过程及其实现恒流特性的原理。仿真主电路波形，在一定频率下，电路能保持横流时负载可以变化的范围，为分析变换器工作于非谐振频率时的特性，给出不同品质因数下，开关频率变化时，变换器的电流增益特性曲线及谐振电感电流有效值、电容电压有效值的关系曲线，并分析得到品质因数的选择对变换器的恒流特性及谐振元件电压电流应力的影响，提出基于品质因数的变换器优化设计方法。LCL谐振式变换器在品质因数等于多少时，工作状况较好。最后，通过对主电路的理解，设计出控制电路。

关键词 LCL谐振；恒流源；品质因数；控制电路

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Abstract Abstract

Resonant converter available through resonant element of resonance of the switching pipe ZVS or zero current showdown , relatively efficient. Because switching losses, converter to work at higher frequencies, its small size, power density. Resonant converter has been in the DC-DC converter extensively。

A LCL resonant converter behaving as a current source in certain condition and its optimization design method was investigated in this paper. The working process of this topology as a constant current source was analyzed and the principle why this topology could work as a constant current power-supply was presented. To investigate the converter performance when the converter does not work under resonant frequency, the converter current gains versus switching frequency under different quality factors were presented, andthe relations between resonant inductor currents or resonant capacitor voltage with switching frequency under different quality factors were presented. The influences of quality factor on constant-current characteristic and current or voltage stress of the resonant components were analyzed. Then the optimization design method of the converter based on quality factor was proposed. LCL resonant converter in quality factor is equal to the number, the better working conditions. Finally, through the understanding of the primary circuit to make the control circuit.

Keywords LCL resonant,constant current source,quality factor,control circuit

II

目录 目 录

摘 要 ................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 .......................................................................................................1

1.1 课题背景...............................................................................................1 1.1.1 国外谐振式变换器研究的情况 ...................................................1 1.1.2 国内谐振式变换器研究的情况 ...................................................2 1.1.3 谐振式变换器的发展概况 ...........................................................2 1.2 选题的依据和意义...............................................................................4 1.3 课题研究的目的和研究的内容...........................................................5 第2章 LCL谐振式变换器主电路分析 ..........................................................7

2.1 LCL变换器的工作过程与工作原理 ..................................................7

2.1.1 LCL变换器的系统框图 ..............................................................7 2.1.2 LCL变换器的工作过程 ..............................................................7 2.1.3 LCL变换器的工作原理及其数学公式推导 ..............................9 2.2 作为恒流源使用时的参数设计过程.................................................13 2.2.1 参数设计公式的推导 .................................................................13 2.2.2 参数计算 .....................................................................................15 2.3 主电路的工作过程仿真研究.............................................................15 2.4 本章小结.............................................................................................20 第3章 变换器品质因数的优化设计 .............................................................21

3.1 品质因数的优化分析.........................................................................21 3.1.1 品质因数对恒流性能的作用 .....................................................21 3.2 本章小结.............................................................................................25 第4章 控制电路的设计 .................................................................................26

4.1 控制电路电流反馈设计.....................................................................26 4.1.1 反馈电路设计理念 .....................................................................26 4.1.2 具体的设计方案 .........................................................................26 4.2 控制电路芯片设计.............................................................................27 4.2.1 MC34067芯片的简介................................................................27

III

目录 4.2.2 MC34067芯片的外围设计 ....................................................... 28 4.3 保护电流的设计 ................................................................................ 29 4.4 本章小结 ............................................................................................ 30 结 论................................................................................................................. 31 参考文献............................................................................................................. 32

IV

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 国外谐振式变换器研究的情况

现有的软开关技术方面的文献对软开关零电流和零电压谐振问题的电路分析主要是集中在把谐振过程分为四个独立的阶段（电感充电、谐振、电容放电、二极管续流）来处理，这主要是因为电路的非线性和运行的复杂性。这种处理方式虽然方便了读者的理解，但对整个电路的连续运行以及整体把握上却缺乏有效的机制。

自20世纪80年代初美国VPEC李泽元教授提出谐振式软开关的概念，到80年代后期美国威斯康星大学的D．M．Divan教授提出谐振式直流环节逆变器和极谐振变换器技术，20多年来，研究人员围绕这两种基本拓扑相继提出了许多软开关逆变器的拓扑结构。总的来说，逆变器分为硬开关和软开关两类，在硬开关逆变器中，功率器件直接与电压源和电流源相连，开关电压和电流波形的改变会引起严重的开关损耗，另外由于功率器件存在寄生电容杂散电感，在开关瞬间会引起很高的电压电流尖峰。它与传统的硬开关电路相比，有着许多明显的优势，但谐振式软开关技术远末达到成熟的程度，有许多问题值得进一步的研究。谐振变换器是依靠改变开关网络的工作频率实现对输出量的控制的，因此它是一种变频控制的谐振型开关调节系统。谐振技术的应用．可以方便地得到开关管的驱动信号，降低电源的体积和成本。除此之外．通过调整谐振电容值可以控制振荡器的输出频率，方便地实现高压开关电源的高频化．从而使得高压电源的体积大幅度减小目。相比线性电源，开关电源的效率和噪声也得到了大幅度的改善。高压直流电源广泛应用 于军事雷达激光器、电除尘器、应加热和医用X射线等设备。静感在高压电源中，高压变压器是关键构成部分，由于它二次侧匝数很多，二次侧对一次 侧的匝比很大，因此呈现出较大的寄生参数，如漏感和绕组电容。如果将高压变压器直接应用在PWM变换器中，那么漏感的存在会产生较高的电压尖 峰，损坏功率器件，绕组电容的存在会使变换器有较大的环流，降低了变换

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