LLC谐振变换器的效率优化控制策略设计与实现

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LLC谐振变换器因其结构简单、易于实现初级侧开关管的零电压开通和次级侧整流管的零电流关断等优点,在高效率、高功率密度方面表现优异而受到广泛关注。但在负载输出功率偏低和接近满载输出下,LLC谐振变换器的效率仍有一定提升区间。通过优化的控制策略提升LLC全负载范围内的效率对减小变换器体积、降低变换器散热成本等方面具有重要意义。本文针对LLC谐振变换器全负载范围内效率的提升问题:(1)首先简要分析了变换器在轻载和重载工况下限制其效率的主要原因,并为相应负载下的效率优化控制构建了闭环稳压控制基础。(2)在轻载工况下,对突发模式控制中Toff阶段谐振槽的欠阻尼振荡进行电路建模分析,在Ton阶段加入预调整使得变换器能快速稳定在最高效率点的状态轨迹上工作,最后对突发模式控制周期的选择给出限定。(3)在重载工况下,主要对变换器次级侧同步整流控制进行优化。在整流器件上应用氮化镓器件代替传统硅管,并提出氮化镓器件的同步整流判断机制。同时提出一种基于比较器分时复用的自适应同步整流控制策略,以节省硬件资源。最后引入多周期中断同步算法来解决高频同步整流的数字实现问题。通过结合对不同负载下的效率优化控制,最终实现LLC谐振变换器全负载范围内的高效率。论文设计内容在开关频率为300k Hz,满载输出40A的LLC谐振变换器的样机上进行了验证,测试结果表明:通过优化的突发模式控制将3%-10%轻负载范围内的最低效率提升至91.85%,相比于传统调频控制的效率提升了27%。同时变换器在216W的输出功率下达到峰值效率97.13%。最终3%-50%负载范围内的平均效率提升至94.87%,相比于未经过优化控制的效率提升了30%。
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