谐振变换器
《2024年基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的研究》范文
《基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，DC-DC变换器在电力系统中扮演着越来越重要的角色。
其中，基于LLC（L-C-C）谐振的双向全桥DC-DC变换器因其高效率、低电压电流应力、软开关等优点，在新能源汽车、可再生能源系统、储能系统等领域得到了广泛应用。
本文旨在研究基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的工作原理、设计方法及性能分析。
二、LLC谐振的基本原理LLC谐振变换器是一种采用电感（L）、电容（C）和电容（C）谐振的DC-DC变换器。
其基本原理是利用谐振电路中的电感和电容进行能量传递，通过调节谐振频率和输入电压来实现输出电压的稳定。
在LLC谐振变换器中，全桥电路用于实现能量的双向传递。
三、双向全桥DC-DC变换器的设计3.1 拓扑结构双向全桥DC-DC变换器主要由两个全桥电路、谐振电感、谐振电容以及整流电路等部分组成。
其中，两个全桥电路分别负责能量的输入和输出，通过控制开关管的通断来实现能量的传递。
3.2 设计步骤设计双向全桥DC-DC变换器时，首先需要根据应用需求确定输入输出电压范围、功率等级等参数。
然后，根据参数选择合适的电感、电容等元件，并确定谐振频率。
接着，设计全桥电路的开关管和控制策略，以保证能量的高效传递。
最后，进行仿真和实验验证，对设计进行优化。
四、性能分析4.1 效率分析LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器具有高效率的特点。
在谐振状态下，开关管的电压电流应力较低，损耗较小。
此外，软开关技术进一步降低了开关损耗，提高了整体效率。
4.2 稳定性分析该变换器具有较好的输入输出电压稳定性。
通过调节谐振频率和输入电压，可以实现输出电压的快速调整和稳定。
此外，双向全桥电路的设计使得能量可以在两个方向传递，提高了系统的灵活性和可靠性。
五、实验验证及结果分析为了验证基于LLC谐振的双向全桥DC-DC变换器的性能，我们搭建了实验平台并进行了一系列实验。
LLC谐振变换器的原理说明
LLC谐振变换器的原理说明LLC谐振变换器要提⾼主变换器能效,可以采⽤以下四种⽅式:⼀是降低导通损耗或者是减⼩初级峰值电流和均⽅根电流来降低⼀次导通损耗;⼆是采⽤软开关技术降低开关损耗;三是减⼩整流器的压降,例如采⽤低的正向压降⼆极管或者FET整流器,来降低⼆次损耗; 四是采⽤更好的磁芯材料来降低磁芯损耗.杨恒.LED照明驱动器设计步骤详解[M].北京：中国电⼒出版社.20101软开关技术的提出（电⼒电⼦技术-西安交通⼤学王兆安黄俊第四版）还是从⼩型化、轻量化的发展趋势看，装置的效率以及电磁兼容的要求变得更⾼。
当提⾼开关频率，开关损耗增加，电路的效率下降，电磁⼲扰也增⼤，这⾥提出了软开关技术，它是利⽤谐振的辅助换流⼿段，从⽽解决电路的开关损耗和开关噪声的问题。
硬开关：开关过程中，电压电流均不为零，出现重叠，因此导致开关损耗（电路效率的降低、阻碍开关频率的提⾼）。
并且，电流电压变化很快，波形有明显的过冲，导致了开关噪声（电磁⼲扰EMI）。
如图5-1所⽰：图5-1 硬开关电路波形软开关：通过增加电感、电流等谐振元件，构成辅助换流⽹络，在开关过程的前后引⼊谐振过程。
开关开通前电压降为零，或者关断之前电流降为零，消除电压电流之间的重叠，降低电压电流的变化率，减⼩开关损耗和开关噪声。
如图5-2所⽰：图5-2 软开关电路波形主要的软开关拓扑结构有:结合本⽂设计要求,将采⽤双电感加单电容的谐振变换器。
2谐振变换器的发展为了降低开关损耗和开关噪声，并且容许⾼频运⾏，谐振开关技术得到了发展。
在各类的谐振变换器中，LC串联谐振变换器是最简单也是最普遍的。
1）LC串联谐振变换器电路中电感与电容串联，形成⼀个串联谐振腔。
这个谐振腔的阻抗与负载串联，则由于其串联分压作⽤，增益总是⼩于1。
谐振腔的阻抗与频率有关，在其谐振频率fr下阻抗最⼩，此时的增益也最⼤。
根据电路的直流特性可知：① fs>fr时,开关管 Q-->ZVS；②轻载时，fs要变化很⼤才能保证输出电压不变;③ Vin增⼤时,fs增⼤使输出电压保持不变。
lc串联谐振变换器
lc串联谐振变换器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开关调节系统。
谐振变换器的开关动作被设定在零电流或零电压时刻发生，大大减小了开关损耗；正弦谐振波还能降低高频谐波噪声；由于电路是利用LC谐振，电路中的寄生电感和电容能够得到应用。
基于这些优点，谐振变换器得到了广泛的应用。
小信号建模是分析和控制变换器的有力工具。
谐振变换器建模方法有扩展描述函数法、DQ等效法、注入⁃吸收电流法等。
扩展描述函数法也是一种适用于谐振类变换器建模方法，根据描述函数理论非线性环节的稳态输出可看成一个与输入信号同频的正弦函数，只是幅值与相位不同。
把输出信号和输入信号的复数比定义为非线性环节的描述函数，但是其前提是将输入端开关动作等效成一个统一的函数。
DQ等效法将电路中的矢量，从静止的直角坐标系变换到与电路中矢量相同角速度旋转的DQ坐标系中。
扩展描述函数法和DQ等效法都是以基波等效法为基础所建的模型，适用于电流连续模式，并不适用于电流不连续模式。
注入⁃吸收电流法是一种电流连续模式和电流不连续模式下都可用的建模方法。
本文采用注入⁃吸收电流法对工作于电流断续模式下的串联谐振变换器的建模展开研究，并在此基础上设计了满足要求的补偿器。
传递函数推导根据电感电流的连续与否，变换器工作模式分为两种：连续导电模式（CCM）和不连续导电模式（DCM）。
当开关频率大于 1 2 的谐振频率时，串联谐振变换器是工作在电流连续模式下的；当开关频率小于1 2 的谐振频率时，串联谐振变换器是工作在电流断续模式下的，这样开关工作在零电流（ZCS）条件下，可以降低开关损耗，提高电源的效率。
断续工作模式的半个开关周期包含a，b，c三种工作状态。
假设负载电容值远远大于谐振电容的电容，因此在一个谐振周期内，负载电容的电压上升非常小，在分析过程中将其看成一个恒压源。
根据以上分析；a，b工作模式的等效电路如图2所示。
c表示谐振电流为零时的工作模式（其状态电路图省去）。
LLC串联谐振全桥DCDC变换器的研究移相全桥和LLC区别
LLC串联谐振全桥DCDC变换器的研究移相全桥和LLC区别LLC串联谐振全桥DC-DC变换器是一种高效率的电力转换器，在许多应用中被广泛使用。
它可以实现高频率的电力转换，并具有快速的动态响应和低噪声特性。
与传统的移相全桥变换器相比，LLC变换器具有以下几点不同之处。
首先，移相全桥变换器是一种自振变换器，它的输出电压和输入电压之间的变换是通过改变谐振电感的相位来实现的。
这种变换方式能够提供高效率，但在高转换比时可能会出现电压换流问题。
而LLC变换器采用串联谐振网络，可以消除电压换流问题，并且提供更稳定的输出电压。
其次，移相全桥变换器的控制方式是通过改变谐振电感的频率来控制输出电压和输入电压之间的变换。
这种频率调制可以实现精确的电压调节，但需要更复杂的控制算法。
而LLC变换器采用谐振电容和谐振电感的并联谐振，能够通过改变谐振频率来实现精确的电压调节。
同时，LLC变换器的控制方式更简单，可轻松实现开环或闭环控制。
此外，LLC变换器还具有更低的开关损耗和更高的功率密度。
由于谐振网络可以在零电压或零电流点进行开关切换，因此LLC变换器的开关频率可以设置得相对较高，从而减少开关损耗。
与此同时，LLC变换器的谐振网络能够实现较高的功率密度，因为它可以有效地利用电流和电压的变化。
最后，LLC变换器还具有较低的EMI噪声和较少的谐振峰。
由于LLC变换器采用谐振网络，可以在零电压或零电流点进行开关切换，从而减少开关干扰和EMI噪声。
与此同时，LLC变换器还能够通过调节谐振频率来抑制谐振峰，从而减少谐振峰对系统的影响。
综上所述，LLC串联谐振全桥DC-DC变换器相对于传统的移相全桥变换器具有更稳定的输出电压、更简单的控制方式、更低的开关损耗和更高的功率密度。
因此，在高效率、高转换比和高功率密度的应用中，LLC变换器通常是更为理想的选择。
LLC串联谐振全桥DCDC变换器的研究
LLC串联谐振全桥DCDC变换器的研究LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的工作原理是将全桥拓扑结构与LLC 谐振拓扑结构相结合。
变换器的输入端采用全桥结构，输出端采用谐振电路结构。
在输入端，通过控制两个辅助开关的开通和关闭，实现了相对零电压开关和相对零电流开关。
在输出端，谐振电路由电容、电感和电阻构成，通过控制开关管的导通和关断，实现了谐振振荡。
通过这样的工作原理，LLC串联谐振全桥DC/DC变换器可以实现高效率的功率转换。
LLC串联谐振全桥DC/DC变换器具有一系列优点。
首先，由于采用了全桥结构，输入电压范围广泛，可以适应各种不同的电源。
其次，由于采用了LLC谐振结构，能够实现高效并且低噪音的输出。
此外，该变换器还具有可调性好、响应速度快、波形质量高、设计简单等优点。
在研究LLC串联谐振全桥DC/DC变换器时，可以从以下几个方面进行深入研究：1.拓扑结构设计：根据应用需求，设计适合的LLC串联谐振全桥DC/DC变换器拓扑结构，选择合适的电阻、电容和电感等元器件。
2.开关管选择与控制：选择合适的开关管，并设计合理的开关管控制策略，实现零电流开关和零电压开关。
3.谐振电路设计：设计合适的谐振电路，包括电容、电感和电阻的参数选择，以及谐振频率和谐振频率范围的确定。
4.功率转换效率研究：研究LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的功率转换效率，分析其与输入电压、输出电压、负载等因素的关系，优化变换器性能。
5.控制策略研究：研究合适的控制策略，实现LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的稳定工作，提高系统动态响应性能。
除了理论研究，还可以进行仿真和实验验证。
利用软件仿真工具，如Matlab/Simulink、PSIM等，进行LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的性能分析和优化。
并且利用实验平台，搭建LLC串联谐振全桥DC/DC变换器的实验系统，验证理论研究成果的正确性。
总结来说，LLC串联谐振全桥DC/DC变换器是一种高效率、高性能的直流-直流变换器。
定频控制全桥LLC谐振变换器的研究
…一…一…．．－．．．．．．．．．．．．．．．－－～—－．．－－－—．．．．．．．．．．．…．．－……一…．．．．一…一～……一·－－．一
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：１．３．２并联谐振变换器
图１．３给出了全桥并联谐振变换器的主电路拓扑。
谐振电感厶．和谐振电容Ｇ串联，负载与谐振电容Ｇ并联‘１４１。
Ｄ１￡，
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ｏ丰忍：
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图１．３全桥并联谐振变换器
图１．４给出了并联谐振变换器的增益曲线。
从图中可以看出，相对于串联谐振变换器，并联谐振变换器负载变化时，其开关频率变化范围较窄，不存在轻载电压调整率的问题。
但由于负载与谐振电容并联，谐振电容等效为一个无源负载，因此即使负载较轻，谐振回路电流依然较大，这对于高压输入而言，开关管关断电流大，损耗较大。
同样，为了实现开关管的ＺＶＳ开通，其开关频率需高于厶、’Ｇ的谐振频率。
图１．４并联谐振变换器增益曲线
１．３．３ＬＣＣ谐振变换器
图１．５给出了全桥ＬＣＣ谐振变换器的主电路拓扑。
其中Ｇ和Ｇ分别为并联谐振电容和串联谐振电容，厶是串联谐振电感。
谐振网络可以看作为串联网络与并联网络的结合，并联电容Ｇ的存在使得变换器在轻载时仍能调节输出电压：而厶．和Ｇ串联使得轻载时谐振回路电流较小【１３１。
定频控制全桥LLC谐振变换器的研究
作者：花韬
学位授予单位：南京理工大学
本文链接：/Thesis_Y2276436.aspx。
llc谐振变换器工作原理
llc谐振变换器工作原理
LLC谐振变换器是一种高效率的DC/DC变换器，它可以将输入电压转换为较高的输出电压。
LLC谐振变换器的工作原理是：
1.
首先，LLC谐振变换器将输入电压转换为高频交流电压，然后将其转换为高频直流电压。
2.
然后，LLC谐振变换器将高频直流电压转换为低频直流电压，并将其输出到负载。
3.
最后，LLC谐振变换器将低频直流电压转换为高频交流电压，并将其输出到负载。
LLC谐振变换器的优点在于它可以提供高效率的转换，并且可以提供较高的输出电压。
电力电子技术中的谐振变换器电阻选型指南
电力电子技术中的谐振变换器电阻选型指南电力电子技术中的谐振变换器是一种常用的电力转换设备，广泛应用于变换和调节电压、电流等电力信号的场合。
而谐振变换器中的电阻是非常重要的元件之一，其选型直接关系到谐振变换器的性能和稳定性。
因此，在设计和应用谐振变换器时，正确选型合适的电阻是至关重要的。
一、电阻的选择原则1.1 耐压能力：电阻的耐压能力是选型时需要首先考虑的因素，要确保电阻的额定耐压能够满足实际工作条件下的电压要求。
一般来说，选用耐压较高的电阻能够提高谐振变换器的安全性和可靠性。
1.2 功率能力：电阻的功率能力也是选型时需要注意的因素之一，要确保电阻的额定功率能够满足实际工作条件下的功率要求。
选用功率较高的电阻可以提高谐振变换器的工作稳定性。
1.3 阻值范围：根据谐振变换器的具体设计要求和性能指标，选择合适的电阻阻值范围。
一般来说，电阻的阻值范围应该能够满足谐振变换器工作时的电流要求。
1.4 温度系数：电阻的温度系数也是选型时需要考虑的因素之一，要选择温度系数较小的电阻，以保证谐振变换器在不同温度下的稳定性。
二、常见电阻的选型2.1 固定电阻：固定电阻是谐振变换器常用的电阻类型，分为碳膜电阻、金属膜电阻、瓷体电阻等。
根据实际需求选用合适的固定电阻类型，并根据电阻的耐压能力、功率能力、阻值范围和温度系数等参数进行选型。
2.2 动态电阻：动态电阻也是谐振变换器中常用的电阻类型，它具有根据电流和电压变化调节阻值的特性，可以实现对谐振变换器的动态监测和控制。
根据动态电阻的特性和性能参数进行选型，确保其能够满足谐振变换器的工作要求。
2.3 光敏电阻：光敏电阻是一种特殊的电阻器件，其阻值随光照强度变化而变化。
在一些特殊的谐振变换器设计中，可以选用光敏电阻实现对谐振变换器的光照监测和控制。
三、电阻的应用注意事项3.1 电阻的布局：在设计谐振变换器电路时，合理布局电阻的位置是非常重要的。
要尽量将电阻与其他元件隔离，避免互相干扰和影响，确保谐振变换器的稳定性和可靠性。
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L C
③（t3~t4）阶段：
Ui
D
Io
t3时刻以后，L向C反向充电，uC S 继续下降，直到t4时刻uC=0。 O (t1~t4)阶段的谐振提供了零电压开 us(uc) 通条件。
t
在整个（t1~t4）阶段：
u c U m sin0 (t - t1 ) U i U m I o Z0 L Z0 C (8 32)
L
Ui
Co
Io
Ui
2Ui
t0 t
3、（t4~t6）阶段： uc 线性变化阶段
(t1~t4)阶段的谐振提供了零 iL 电流关断条件，开关S在零 电流下关断，电容C继续向 负载放电， 在该阶段：
u c U C3 Io (t - t 4 ) C (8 27 )
S Ts
t
Io
Io+Im
t
Ui
us
t
uD
t6时刻， uc=0。
Co Io
uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
4、(t6~t0)阶段：
S为断态，D为通态。 该模式一直持续到开 关S下一次开通。
iL
S Ts
t
Io
Io+Im
t
us Ui
t
uD D
Io
uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
2Ui t0
S Ts
t
iL
Io Io+Im
t
us Ui
t
uD uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
（二）M型零电流（ZCS）谐振变换器 （见教材）
二、零电压（ZVS）准谐振变换器
— 谐振电容与开关管并联
特点：开关管能在零电压状态下关断和开通。
L
Ui C S D Ld Ui
L
C
S O t
D1导通，uC被箝位于零，iL线 us(uc) 性衰减，到t5时刻，iL=0。 O is 由于这一时段S两端电压为零， O 所以必须在这一时段使开关S iL 开通，才不会产生开通损耗。 O
uD
O t 0t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6
t
t
t
t t0
L C
②（t5~t6）阶段： S为通态，iL线性上升，直到 t6时刻，iL=Io，D关断。 在整个（t4~t6）阶段：
t
分析结果： 1、零电流开关谐 振换流器实现软开 关的条件：
Ui C Io L
S Ts
t
iL
Io Io+Im
t
us Ui
2、谐振电流峰值将高于 负载电流Io的2倍，增加 了对开关器件电流容量 的要求（缺点）。
t
uD uC Ui t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 2Ui t0
t
分析结果： 3、开关管导通时间 恒定(t0~t4)，只能采 用脉冲频率调制 （Pulse Frequency Modulation—PFM） 方式来控制。
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
Ui
2Ui
t0 t
③（t3~t4）阶段： t3时刻以后，C向负载放 电，uC继续下降，直到t4 iL 时刻iL=0，uc=Uc3。
S Ts
t
Io
Io+Im
t
us
Ui
t
L
Ui
Co
Io
uD uC
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
Ui
2Ui
t0 t
S
在整个（t1~t4）阶段：
Multi-Resonant Converter—ZVS MRC）
用于逆变器的谐振直流环节(Resonant DC Link）
（一）零电流（ZCS）准谐振变换器 — 谐振电感与开关管串联 特点：开关管能在零电流状态下开通和关断。 根据开关管、谐振电感和谐振电容连接形式的 不同，一般分为L型和M型两种。
1、(t0~t1)阶段：
Ui iL t L (8 22)
S Ts
t
开通过程中，L使电流 iL 上升iS(iL)延缓，降低 了开通损耗。该阶段 us 结束时，iL=Io
L
Io
Io+Im
t
Ui
t
Ui
D
Io
uD uC
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
Ui
2Ui
t0 t
2、(t1~t4)阶段： L、C 形成谐振阶段。 ①（t1~t2）阶段： 当iL>Io时，二极管D截 止，Ui、L、C形成谐振 回路。t2时刻，iL达到 谐振峰值。
iL
i L I m sin0 (t - t1 ) I o 1 L 0 Z0 C LC u c U i [1 cos0 ( t t1 )] (8 23) U Im i Z0 （8 - 24）
Ts
t
IoIo+Im源自tusUi
t uD uC
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
vbe vce i
c
vbe vce
ic
Ploss(on)= 0
Ploss(off)
Ploss(on)
Ploss(off)= 0
Zero voltage switching
Zero current switching
软开关电路的分类☆ 根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为 零电压电路和零电流电路两大类。 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分 成准谐振电路、零开关（ZS）PWM电路和零转换 （ZT） PWM电路三大类。 零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和 零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表。
vbe
vce
c b vbe e
ic
iC
Ploss(on)
Ploss(off)= 0
Zero current switching
零电压开通和零电流关断靠电路中的谐振来实现☆ 零电压关断：与开关并联的电容能使开关关断过程 中电压上升延缓，从而降低关断损耗☆。 零电流开通：与开关相串联的电感能使开关开通过 程中电流上升延缓，降低了开通损耗☆。
L Io
S Ts
t
iL
Io
Io+Im
t
us
Ui
t uD uC
t 0 t t2 t3 t4 t5 1
Ui
Co
Ui
2Ui
t6
t0 t
②（t2~t3）阶段： t2时刻后， L向C放电， 直到t3时刻，uC达到反向 iL 谐振峰值2Ui ，iL=Io。
S Ts
t
Io
Io+Im
t
Ui
us
t
L
Ui
Co
Io
uD uC
Ui i L I L4 (t t 4 ) L (8 37 )
S
Ui
D
Io
O
t
us(uc) is
O t
O
t
iL
O t
uD
t O t 0t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t0
4、(t6~t0)阶段：
S为通态，D为断态。该模 式一直持续到开关S下一次 关断。
Ui
L
C
S D
D1
L
t
t
O
t
uD
t O t 0t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t0
L C
②（t2~t3）阶段： t2时刻后，C向L放电，直到 t3时刻，uC=Ui，iL达到反向 谐振峰值。
S
Ui
D
Io
O
t
us(uc) is
O t
O
t
iL
O t
uD
t O t 0t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t0
第八章
软开关技术
一、软开关技术概述 二、典型的准谐振变换器（ZS—QRC） 三、ZS—PWM变换器
四、ZT—PWM变换器
参考书： 电力电子学，刘志刚，北京交通大学出版社，
2004
电力电子技术（第四版），王兆安主编， 机械工业出版社2006 高频功率开关变换技术， 邢岩 蔡宣三编著， 机械工业出版社 2005
S D
D1 ZVS谐振开关
Co
Ro
D1
Io
ZVS准谐振变换器及其等效电路图
L
C
1、（t0~t1）阶段：电容C恒 流充电阶段。 t0时刻之前，开关S为通态， 二极管D为断态，uC=0， iL=Io。 t0时刻S关断，并联电容C 使S关断过程中电压上升延 缓，从而降低关断损耗。
i L Io Io uc t (8 31) C 该阶段结束时： u c Ui
2Ui
t0 t
1、(t0~t1)阶段： t0时刻之前，开关S断 开，二极管D导通， iL us=0，uc=0。
S Ts
t
Io
Io+Im
t0时刻，开关S开通，S 和二极管D都导通，iL u s （iS）线性增大。
L
t
Ui
t
Ui
D
Io
uD uC
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
Ui
2Ui
t0 t
Ui
Io
S O t
us(uc) i
s
O
t
O
t
iL
O t
uD
t O t 0t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t0
L C
2、（t1~t4）阶段： L、C形成 谐振阶段。
Ui
D
Io