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宽输出电压范围谐振变换器设计研究

宽输出电压范围谐振变换器设计研究

作者：邱富君浙江大学

学位级别：硕士

为应对气候变化,电动汽车越来越受到世界各国的重视。近年来,我国电动汽车的充电基础设施快速发展,其中快速充电是重要的充电方式之一。快速充电设备,俗称直流充电桩,一般由三相整流器和DC/DC变换器等部分组成。其中,DC/DC变换器用于整... 详细信息

为应对气候变化,电动汽车越来越受到世界各国的重视。近年来,我国电动汽车的充电基础设施快速发展,其中快速充电是重要的充电方式之一。快速充电设备,俗称直流充电桩,一般由三相整流器和DC/DC变换器等部分组成。其中,DC/DC变换器用于整流器输出与动力电池之间的匹配,同时实现电隔离。该DC/DC变换器需满足宽输出电压范围的要求,同时需具有较高的变换效率。论文将对宽输出电压范围谐振变换器的设计方法展开研究。论文首先回顾了充电机发展情况,包括充电机的结构,比较了 DC/DC变换器的拓扑,讨论电池电压宽范围对DC/DC变换器的影响。论文第二章分析了 LLC谐振变换器在不同模式下的工作状态,并对不同工作模式下的损耗情况进行分析。对比分析了“两段式”、“三段式”充电方案对宽输出电压情况下损耗分布的影响。在比较不同充电方案基础上,重点探讨了一种“三段式”的改进充电方案。在前人工作的基础上,总结了宽输出电压范围的LLC谐振变换器设计方法,并在10kW实验模型上进行实验验证。

关键词：电动汽车谐振变换器宽输出电压范围高效率

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宽输出电压范围车载充电机的研究

宽输出电压范围车载充电机的研究

作者：郭康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

石油资源的不可再生特性与高污染问题引发了人们的能源危机意识和环境保护意识。而电动汽车却可以很好缓解这个难题。电动汽车通过动力蓄电池储存的电能来驱动其运转,而车载充电机正是为其动力蓄电池充电的设备之一。车载充电机一方面... 详细信息

石油资源的不可再生特性与高污染问题引发了人们的能源危机意识和环境保护意识。而电动汽车却可以很好缓解这个难题。电动汽车通过动力蓄电池储存的电能来驱动其运转,而车载充电机正是为其动力蓄电池充电的设备之一。车载充电机一方面要应对较宽的蓄电池电压范围,以及较宽的输入电压范围,还需考虑功率因数校正、效率等性能和体积、防护等机械结构等方面的严苛要求。本课题聚焦于一款3.3 k W车载充电机的研制,提出变换器宽输入输出电压范围的解决方案。为了满足充电机宽电压增益范围的需求,本课题采用有源功率因数校正(APFC)变换器和DC-DC变换器两环节级联的解决方案。利用母线电容实现两级变换器解耦,两级变换器相互配合,实现车载充电机高效率宽电压范围工作。前级APFC环节采用整流桥+Boost变换器结构,通过分析其工作原理并建立小信号模型实现系统的闭环控制。后级DC-DC环节采用LLC谐振变换器,分析其在调频控制(PFM)和不同负载下工作状态,得出电压增益曲线。针对增益曲线在开关频率大于谐振频率的区域存在变化缓慢甚至非线性的问题,本文提出脉冲宽度调制(PWM)策略来解决,并详细分析改变驱动信号占空比后变换器的工作状态,又针对PWM控制带来的非单调问题采用PWM+PFM混合控制策略,以期实现对输出电压的有效调节。合理设计母线调压策略使两级变换器协调工作,来提高充电机电压增益范围,使LLC谐振变换器高效率工作。根据前级APFC变换器的设计,在Saber中搭建仿真模型,进行闭环仿真,验证前级变换器功率因数校正功能。PWM+PFM混合控制策略的制定依赖于对变换器增益曲线和电路仿真的分析,本课题结合所搭建的仿真电路设计PWM+PFM混合控制方案,实现变换器的宽电压范围工作。研究数字控制方法并根据理论研究与仿真结果,设计硬件电路并进行整机实验,检验控制策略的有效性。

关键词：车载充电机宽输出电压范围级联变换器 LLC谐振变换器混合控制策略

用于电动汽车充电桩的宽输出电压范围DC/DC变换器研究

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用于电动汽车充电桩的宽输出电压范围DC/DC变换器研究

作者：丁超湖南大学

学位级别：硕士

近年来,电动汽车在我国得到迅速发展的同时,电动汽车直流充电技术得到了广泛关注和研究。其中,直流充电桩功率模块作为其核心部分之一成为了有关研究的重点。直流充电桩功率模块一般由前级AC/DC变换器和后级DC/DC变换器构成。本文对宽... 详细信息

近年来,电动汽车在我国得到迅速发展的同时,电动汽车直流充电技术得到了广泛关注和研究。其中,直流充电桩功率模块作为其核心部分之一成为了有关研究的重点。直流充电桩功率模块一般由前级AC/DC变换器和后级DC/DC变换器构成。本文对宽输出电压范围的后级DC/DC变换器展开研究。用于电动汽车直流充电桩功率模块的后级DC/DC变换器的研制面临着宽输出电压范围、高功率密度、高效率等诸多难题。作为后级DC/DC变换器常用方案之一,LLC谐振变换器具有的良好的软开关特性,在降低开关损耗、减小电磁噪声和提高功率密度等方面有着独特优势。但在传统控制方式下,软开关运行条件下LLC谐振变换器的输出电压范围依然有限。针对电动汽车充电过程对变换器提出的宽范围电压输出需求以及变换器在此过程中所面临的软开关挑战,开展以下工作:首先,利用基波分析法分别对变频和移相控制下的LLC谐振变换器的基本性质进行详细讨论,得到不同控制方式下变换器的电压增益表达式,并分析电路中的寄生电容对电压增益的影响,提出采用混合控制方式解决寄生电容引起的变换器超谐振工作区调压困难问题,从而达到拓宽变换器输出电压范围的目的。其次,分析了LLC谐振变换器运行过程中的主要开关模态,建立其等效电路,并利用时域分析法得到各开关模态下有关物理量的时域表达式以及模态过渡时刻的约束条件,从而得到变换器的精确时域模型。另外,归纳出变换器可能出现的运行模式以及各运行模式间的边界条件,并将其与时域模型联立,进而确定变换器各个运行模式的分布情况。然后,对LLC谐振变换器的软开关条件进行分析和总结,并详细分析了变换器在ZVS(Zero Voltage Switching)运行边界处的具体工作情况,提出数学化的ZVS边界条件,并通过联立ZVS边界条件和变换器的时域模型,得到不同控制方式下变换器的软开关工作区。最后,根据设计要求搭建一台最大输出功率为1.2k W的LLC谐振变换器样机,并总结出参数设计流程,根据参数设计结果对关键元件进行选型。通过全桥变频控制、全桥移相控制以及半桥变频控制相结合的混合控制方式对样机的输出电压范围进行拓展,并通过控制变换器的输出电流始终小于ZVS边界电流、开关频率始终不大于谐振频率,实现了其全负载范围内的软开关运行。样机运行效率最高可达96.3%。

关键词：直流充电桩宽输出电压范围 LLC谐振变换器混合控制软开关运行

一种高效率宽输出电压范围的降压型DC-DC转换器设计

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一种高效率宽输出电压范围的降压型DC-DC转换器设计

作者：罗勇西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着IC技术产业的快速发展,便携式电子产品日益普及,智能设备也正在蓬勃发展,如笔记本电脑、智能手机、智能电视、车载导航、行车记录仪等,也将在未来成为主流,这些都将成为工作生活中越来越重要的工具。结合其自身产品各自的特点,如笔... 详细信息

随着IC技术产业的快速发展,便携式电子产品日益普及,智能设备也正在蓬勃发展,如笔记本电脑、智能手机、智能电视、车载导航、行车记录仪等,也将在未来成为主流,这些都将成为工作生活中越来越重要的工具。结合其自身产品各自的特点,如笔记本电脑的便携性,智能手机的电池稳定和持久耐用性等等,使得其对电池寿命的要求越来越高。因此,对开关电源的需求更大且性能要求更高,如效率要求更高,功耗更低,驱动能力和耐压能力更强等。因此本文设计一个高效率宽输入范围Buck型DC-DC转换器[2]。首先分析了基本的Buck型DC-DC的基本原理,反馈控制模式的特点,随后对开关电源设计中的关键技术进行了阐述,如减小功耗的同步整流技术、保证环路稳定性的环路补偿技术、提高效率的工作模式切换技术等等。最终根据应用需求确定了本设计中的DC-DC转换器将采用峰值电流模控制方式并随后对整个芯片系统中各个功能模块进行了原理性分析和设计,如电压环路中的误差放大器、PWM比较器;电流环路的电流放大器和斜坡补偿电路;振荡器、带隙基准等。同时对各个功能模块进行了详细的原理性分析。最后基于0.35μm BCD-MOS工艺[4],使用Spectre仿真工具对整个Buck型DC-DC转换器进行了模块仿真和系统级仿真验证。仿真结果表明,本论文中设计的开关电源的输入电压为4.5V6V,输出电压为1.8VV,最大负载电流为3A,典型负载电流1A,振荡器频率为1MHz。实现了大的输出电压范围,同时在效率上最大可达到94%。Buck型DC-DC转换器在轻载情况下会工作在DCM模式,提高效率;芯片会在重载情况下切换到打嗝(Hiccup)工作模式,防止大电流损坏整个芯片系统的同时提高效率。为了进一步提高效率,整个系统中通过增加死区时间控制电路来减小导通损耗,零电流比较器来防止电流倒灌引起的损耗。整个芯片最后加了过温保护、过流保护和欠压锁定等保护模块来保证芯片正常安全工作。

关键词：降压型DC-DC 峰值电流模 Hiccup工作模式高效率宽输出电压范围 BCD工艺

HIAF-BRing快循环全储能脉冲电源高低压切换控制及其切换点平滑算法

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强激光与粒子束 2023年第6期35卷 75-83页

作者：李源吴凤军黄玉珍王晓俊谭玉莲张华剑朱芳芳李雨航王洁郭世鼎石峰燕宏斌高大庆中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院大学核科学与技术学院北京100049 兰州大学核科学与技术学院兰州730000

应用于强流重离子加速器装置增强环(HIAF-BRing)的快循环全储能脉冲电源需要在极宽的输出电压范围内保持极高的控制精度,为此电源采用了高压功率单元和低压功率单元串联的拓扑方式,在低压段采用低压功率单元,电压升高之后切换到高压功... 详细信息

应用于强流重离子加速器装置增强环(HIAF-BRing)的快循环全储能脉冲电源需要在极宽的输出电压范围内保持极高的控制精度,为此电源采用了高压功率单元和低压功率单元串联的拓扑方式,在低压段采用低压功率单元,电压升高之后切换到高压功率单元,通过高低压切换控制来实现电流全阶段的高精度输出。但是在样机实测中发现存在切换点的振荡问题,导致切换点处的输出电流绝对误差无法满足指标要求。本文提出了一种切换点平滑控制算法来平滑处理切换点占空比,给出了仿真结果,并且在HIAF-BRing快循环全储能脉冲电源样机上面实际验证了高低压切换控制方法及其切换点平滑控制算法的有效性。实验结果表明:100 A注入平台的输出电流绝对误差由±500 mA降至±50 mA,100 A注入平台的切换点处输出电流绝对误差由±1.16 A降至±120 mA,100 A注入平台输出精度较低的问题得以解决。

关键词：快循环全储能脉冲电源宽输出电压范围注入平台高低压切换控制切换点平滑控制

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基于三电平半桥LLC的充电模块研究与设计

电源技术 2019年第7期43卷 1212-1215,1222页

作者：李练兵董德林谢朋朋岳东华祝亚尊河北工业大学人工智能与数据科学学院

提出了一种先并后串的三电平半桥LLC拓扑结构,此拓扑结构不仅可以在较窄的频率范围内实现超宽范围的电压输出,也可以使输出端整流二极管的电压应力降为输出电压的一半。为了在超宽电压范围内实现软开关,又提出了在变频的同时加入变占空... 详细信息

提出了一种先并后串的三电平半桥LLC拓扑结构,此拓扑结构不仅可以在较窄的频率范围内实现超宽范围的电压输出,也可以使输出端整流二极管的电压应力降为输出电压的一半。为了在超宽电压范围内实现软开关,又提出了在变频的同时加入变占空比控制。变占空比不仅可以实现全输出电压范围和全负载范围的零电压开通(ZVS),也可以实现两路串联输出的均压控制。研制了一台15 k W的原理样机,验证了此方案的可行性。

关键词：三电平LLC变换器零电压软开关宽输出电压范围 LLC混合控制策略

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充电设备全桥LLC谐振变换器控制策略研究

充电设备全桥LLC谐振变换器控制策略研究

作者：王成北京建筑大学

学位级别：硕士

为解决日益严重的环境恶化与能源短缺,电动汽车作为绿色新能源行业代表逐渐得到普及与应用。为保证电动汽车能源安全可靠供给,对其充电设备进行设计与研究是十分必要的,全桥LLC谐振变换器因其软开关特性及磁集成等优势而被广泛应用于充... 详细信息

为解决日益严重的环境恶化与能源短缺,电动汽车作为绿色新能源行业代表逐渐得到普及与应用。为保证电动汽车能源安全可靠供给,对其充电设备进行设计与研究是十分必要的,全桥LLC谐振变换器因其软开关特性及磁集成等优势而被广泛应用于充电设备后级DC-DC电源模块。然而不同品牌电动汽车动力电池组规格与广大电动汽车用户充电需求不同造成了充电设备负载情况多变。在这种情况下,就要求充电设备能够满足不同负载需求,因此要求充电设备后级DC-DC电源模块实现宽输出电压范围。本课题以全桥LLC谐振变换器为研究对象,对其实现宽输出电压范围进行了相关研究。首先研究全桥LLC谐振变换器等效模型,推导变换器直流输出增益函数,并基于此函数研究了电感归一量,品质因数、阻抗特性及谐振参数对直流增益的影响;推导变换器实现零电压导通的必要条件;最后对变换器损耗进行研究,推导相对损耗率函数。以上过程及结果为全桥LLC谐振变换器谐振参数设计奠定了基础。其次,选择锂离子动力电池组作为充电设备负载进行负载特性研究,推导出充电过程中最恶劣工作点并将其转化为增益与谐振参数之间的关系;而全桥LLC谐振变换器谐振参数对其转换效率及输出电压范围有决定性作用,因此以相对损耗率最小为目标函数,将直流增益、ZVS条件、工作频率及负载特性作为约束条件,引入量子粒子群算法对谐振网络进行参数设计;最后通过Matlab-simulink模型验证谐振参数输出效果。再次,依据Floquet理论推导全桥LLC谐振变换器闭环回路的状态传递矩阵;以此矩阵作为Floquet稳定性判据对系统进行闭环稳定性分析。在分析过程中,由于控制回路的引入而导致控制参数对系统稳定性影响,进而推导出控制参数稳定范围;最后通过Matlab-simulink模型仿真验证控制参数稳定性范围以确认方法可行性。最后,由于轻载下PWM控制励磁电流较小无法实现ZVS,而Burst控制因谐振电流过大而造成较大损耗,故利用Burst-on时间内的谐振电流能量补充PWM控制ZVS所缺励磁电流能量实现轻载下的PWM-Burst控制策略;进而设计全负载范围内的PFM+PWM-Burst控制策略:在负载相对较重或输出电压较大时采用PFM控制,在负载相对轻或输出电压很低时采用PWM控制或PWM-Burst控制,并通过Matlab-simulink模型仿真与样机实验证明控制策略实现宽输出电压范围的有效性及可行性。

关键词：电动汽车充电设备全桥LLC谐振变换器宽输出电压范围谐振参数设计稳定性分析控制策略研究

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基于三相LLC谐振变换器的汽车充电器研究

基于三相LLC谐振变换器的汽车充电器研究

作者：沈浩博上海交通大学

学位级别：硕士

单相LLC谐振变换器拓扑结构简单,其开关管能够在整个可工作频率范围内实现零电压开通,具有EMI低、功率密度高、效率高等特点,广泛应用于电动汽车充电桩、移动电站等领域。但是单相LLC谐振变换器的输出滤波电路没有滤波电感,因此其具有... 详细信息

单相LLC谐振变换器拓扑结构简单,其开关管能够在整个可工作频率范围内实现零电压开通,具有EMI低、功率密度高、效率高等特点,广泛应用于电动汽车充电桩、移动电站等领域。但是单相LLC谐振变换器的输出滤波电路没有滤波电感,因此其具有输出电流纹波较大。为了减小输出电流纹波,需要较大的电解电容值,占用了的布板空间较大,而且滤波电容的寿命也会限制设备的使用寿命。此外,单相LLC谐振变换器副边电流全部流经整流二极管,副边整流二极管的电流应力在大电流工况下要求很高。而且副边整流二极管单管上的损耗较大,和电流平方成正比,大电流情况下的散热问题将限制整机功率等级的提升。本文详细研究了单相LLC和三相LLC的拓扑特性和工作原理,提出了Y型连接的三相LLC谐振变换器。除继承单相LLC谐振变换器的一些优异性能外,Y型连接的三相LLC谐振变换器还改善了单相LLC谐振变换器的不足。首先,当三相LLC谐振变换器的谐振网络参数不完全一致时,Y型连接能够自动调节各相电压从而起到均分各相电流的作用。其次,三相桥臂依次延迟120°导通,利用移相后电流的叠加效应降低副边整流输出纹波。为了应对不同电池组的电压要求,本文采用两路三相LLC输入并联输出串联的拓扑实现了输出电压的宽范围调节并且达到了自动均压的效果,简化了控制程序的编写。在理论分析的基础上,本文给出了Y型三相LLC谐振变换器谐振腔参数的计算方法,搭建了基于PSIM软件的不对称半桥LLC、三相LLC以及直流充电器系统的仿真模型。将不同工作频率下的仿真波形与典型波形进行比较,论证了理论分析的正确性。最后搭建了一台15kW的实验样机,给出了不同工作区域的典型实验波形,试验了空载情况下的间歇控制,验证了理论分析的正确性及方案的可行性。

关键词：三相LLC 交错并联自动均流自动均压电流纹波宽输出电压范围间歇控制

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宽范围输出的隔离型直流变换器研究

宽范围输出的隔离型直流变换器研究

作者：刘威燕山大学

学位级别：硕士

世界正面临环境恶化和资源短缺等挑战,环保、高效的能源体系已成为研究热点。车载蓄电池和超级电容在环保和能源利用率方面具有优势,但它们要求宽充电范围和高效率。针对此问题,提出两种多谐振变换器和一种混合全桥变换器。首先,介绍了... 详细信息

世界正面临环境恶化和资源短缺等挑战,环保、高效的能源体系已成为研究热点。车载蓄电池和超级电容在环保和能源利用率方面具有优势,但它们要求宽充电范围和高效率。针对此问题,提出两种多谐振变换器和一种混合全桥变换器。首先,介绍了两种具有陷波功能的LCLCL和LLC-LC多谐振变换器。它们结构不同,但增益特性类似。与LLC变换器相比,LCLCL和LLC-LC变换器不仅具有更好的软开关特性,而且在增益方面更有优势,输出电压受负载影响小,解决了LLC变换器轻载或空载调压难的问题。LCLCL和LLC-LC变换器可利用三次谐波来传输有功功率,可减少无功循环造成的损耗以及降低回路电流有效值,进而提高变换器的效率。同时,LCLCL和LLC-LC变换器还具有很好的内在软启动能力和过流保护能力。为了验证LCLCL和LLC-LC变换器的工作原理及优越性,分别设计了两台2.5kW的实验样机。通过对比分析,LCLCL多谐振变换器在谐振元件应力和效率方面更有优势。其次,提出了一种具有陷波功能的双LC并联多谐振变换器。该变换器与LCLCL和LLC-LC多谐振变换器的工作原理和增益特性类似。不仅具有它们所有的优势,而且双LC并联多谐振变换器具有更低的谐振元件电压、电流应力,同时具有更高的效率。由于双LC并联多谐振变换器谐振参数较多,增加了参数设计难度。从增益和效率的角度出发,详细分析了谐振参数对变换器工作的影响,并给出完整的参数设计方案。最后,通过一台3.3kW实验样机证明了理论分析正确性和参数设计的合理性。变换器在恒流充电和恒压充电模式下有较高效率,其峰值效率达到97.72%。最后,提出了一种由副边移相全桥变换器和全桥LLC变换器组成的混合全桥变换器。针对该混合全桥变换器提出分时移相控制策略:副边移相控制模式和原边移相控制模式。输出电压可通过该控制方案进行独立调节。该变换器原边通过共享桥臂,一次侧开关管有较宽的软开关范围,并且不需要专门设计移相全桥变换器的串联电感来帮助实现软开关。混合全桥变换器输出侧串联连接,从而降低了副边功率器件的电压应力。该变换器工作原理和稳态特性通过一台3kW样机得到了实验验证。实验结果表明,该变换器在整个输出电压范围内均保持较高效率,峰值效率为97.43%。

关键词：多谐振变换器混合全桥变换器变频控制高效率宽输出电压范围