[发明专利]LLC单级型AC-DC变换器数值分析建模与边界功率控制方法

说明书

本发明公开一种LLC单级型AC‑DC变换器数值分析建模与边界功率控制方法，建模：根据EMI滤波电容纹波确立谐振腔电压；建立开关周期内正负半周的谐振电流电压函数；建立谐振模态切换与正负半周切换时的谐振电流电压连续性方程；根据谐振电流函数建立输入电流方程；联立超越方程组进行模型求解，计算开关频率与其它谐振电流电压关键参数；控制瞬时功率始终跟随的PO模式与PON模式边界功率曲线，使得变换器在半个工频周期均工作于PO与PON的临界模式，在避免PON模式的前提下，实现最小的电流有效值。本发明能够在全输入电压范围与宽负载范围内实现变换器软开关运行、输出电压稳定调节与高功率因数，促进电力电子装置的低谐波、高效率运行与小型化发展。

技术领域

本发明涉及谐振变换器技术领域，具体为一种LLC单级型AC-DC变换器数值分析建模与边界功率控制方法。

背景技术

谐振变换器因其软开关优点，可以有效降低变换器电磁干扰（Electro-magneticinterference，EMI）与开关损耗，提高系统转换效率，并且能够工作在较高开关频率，以减小无功元件体积，满足高功率密度与小型化要求。因此，谐振变换器常作为分布式电源系统的前级DC-DC变换器首选拓扑，得到了广泛研究与应用。现阶段针对谐振变换器在AC-DC能量转换场合中的研究与应用主要集中于级联式方案，即通过开关共用的方式，将前级PFC单元与后级谐振DC-DC单元进行级联整合，集成为单级型AC-DC变换器。虽然能实现软开关，但能量仍需要进行两级处理，并且系统元器件较多，不利于转换效率与功率密度无法进一步提升。

由于LLC谐振变换器的增益特性与AC-DC变换器的增益变化要求十分吻合，非常适合直接作为单级型AC-DC变换器应用，同时完成功率因数校正与输出电压调节功能，并实现以下两方面优势：1）从软开关与减少能量处理级数两个角度提高转换效率；2）系统元器件数量较少，成本较低，利于功率密度的提升，非常具有研究价值与应用潜力。

但现阶段LLC单级型AC-DC变换器存在以下关键问题，亟待系统性研究：由于EMI滤波电容纹波的影响，LLC单级AC-DC变换器在开关周期正负半周无法对称工作，使得LLC谐振变换器原有的一些关键特性，如稳定调压范围、软开关工作与开关管损耗等发生显著改变。此外，LLC单级型AC-DC变换器是一种时变系统，由于传统谐振变换器建模理论都是基于稳态分析，无法适用于该时变系统。在稳态工作中，变换器的电压增益与输入功率时刻发生变化，存在多种复杂工作模式，由于分析方法与优化手段的缺乏，致使参数设计不当，非常容易产生处于容性区域的工作模式，势必造成软开关丢失，甚至因为增益曲线不单调导致输出电压无法稳定调节。

图1（a）和图1（b）给出了LLC单级型AC-DC变换器的主功率电路以及工作波形。由图1（a）可知，主功率电路主要包括二极管全桥整流，EMI滤波器，半桥逆变网络，谐振腔以及副边全波整流网络构成。由图1（b）可知，由于AC-DC变换器的输入电压与输入电流在半个工频周期内时刻发生变化，导致谐振腔的电压电流波形以及变换器工作模式也会发生改变，因此需要对LLC谐振变换器的传统建模分析方法进行改进。此外，由于EMI滤波电容纹波的影响，使得谐振腔电压在开关周期正半周内发生改变，这将破坏LLC谐振变换器的对称性，导致开关周期正负半周的工作不一致，这也将对LLC谐振AC-DC变换器的分析带来额外的难度。