基于数字式混合控制的输入串联输出并联LLC谐振变换器的研究与设计

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高压输入大电流输出的DC/DC变换器广泛应用在直流配电网、机车牵引系统和非车载充电桩电源模块中。传统的此类DC/DC变换器多采用单模块、硬开关、单一控制策略和模拟式控制器,导致器件的电压和电流应力过大和系统效率低下。基于数字式混合控制的输入串联输出并联LLC谐振变换器具有抗干扰性强、维护方便、开关管电压应力低、软开关和系统效率高的优点,而且符合近年来DC/DC变换器的高频化、标准化、模块化和智能化的发展潮流。因此,本文对基于数字式混合控制的输入串联输出并联LLC谐振变换器进行了如下研究。首先,介绍全桥式LLC谐振变换器在脉冲宽度调制(PWM)策略和脉冲频率调制(PFM)策略单独控制时,谐振变换器工作模态的详情。然后基于两种控制策略下变换器能量传递方式的不同,分别采用基波分量法(FHA)和时域分析法对变换器进行建模。最后通过研究两种控制策略下谐振变换器的数学模型和工作特性,再结合ISOP变换器的特点,提出采用混合式控制的ISOP LLC谐振变换器。其次,阐述了 DC/DC变换器中输出电流端纹波系数过大以及ISOP组合变换器模块间功率难以平衡的问题。随后分析了交错控制策略中交错角对输出端电流纹波系数的影响,以及输入均压、输出均流和功率平衡间的关系。最后,得到交错控制能有效抑制纹波,而输入均压能够保证输出均流,实现功率平衡,所以将交错控制和输入均压引入到ISOP组合变换器的控制中去。再次,针对全桥式LLC谐振变换器在控制器设计中,建立小信号模型困难的问题。首先对DC/DC变换器的小信号建模方法进行了介绍,在分析了各种小信号建模方法的基础上,最终选用基于扩展描述函数法来建立全桥式LLC谐振变换器的小信号模型。最后得到了全桥式LLC谐振变换器小信号模型的等效电路。最后,基于上面的分析,对系统的控制部分和硬件部分进行设计。控制部分主要包括混合控制中模式切换点的选取,谐振网络参数的计算和控制流程的设计。系统硬件部分主要对谐振变压器、谐振电感和谐振电容参数进行设计。最后,通过系统样机,对控制策略进行了验证。
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