摘 要

当今世界，科学技术不断发展，人们的生活越来越智能化，我国工业发展也进入了高速发展的关键时期，而这影响涉及的我们生活的方方面面。以汽车工业为例子，汽车控制的智能化、数字化以及电子化程度都越来越高，音响、空调等车载智能电子设备也越来越丰富，与此同时复杂多样的车载设备对车载电源系统便提出了更高的要求，尤其是对于新能源电动汽车，要求有容量大、效率高、能耗小的直流电源系统。当然电动汽车的变换器工作原理与常规的燃油汽车是不一样的，电动汽车主要是通过不同形式的直流变换器将高电压降低成给车内负载使用的低电压，从而给车内的设备供电。

对于电动汽车传统的PWM控制的DC-DC变换器来说其属于硬开关，不仅开关效率低下，而且在不断关断与开通的过程产生的电能损耗也是很大的。但是只要使得原边的MOSFET在开通以及副边的整流二极管在断开的时候电压与电流在波形上没有重叠，也就是把软开关技术应用到变换器中，就会很大程度上降低损耗，主电路的工作效率也会大大提高。由此我们得知，使用LLC谐振DC-DC变换器就可以实现宽输入的同时使得原边开关管实现ZVS，副边整流管实现ZCS，对于电动汽车的变换器来说显然是更好的选择。

本文的研究内容主要针对于电动汽车的LLC半桥谐振变换器，当然还介绍了各种传统的DC-DC变换器，介绍了LLC谐振变换器在各种不同的情况下的不同工作状态，以及其工作的全过程（基于两个谐振频率划分为三个不同的频率工作区间），然后运用基波分析法对变换器的各个部分进行建模，得到相应的增益表达式，再通过整体统一化的计算原理对各个元器件的参数按照顺序进行计算，并通过MATLAB软件对LLC半桥谐振变换器进行稳态建模，完成了其主电路的参数设计，并通过simulink进行仿真验证，对不同电压输入状态下的情况进行对比，证明了其优越性。

关键字：LLC半桥谐振；DC-DC变换器；软开关；PWM控制

Abstract

In today's world, with the continuous development of science and technology, people's life is becoming more and more intelligent, and China's industrial development has entered a critical period of rapid development, which affects all aspects of our lives. In the automotive industry as an example, the intelligent car control, digital and electronic degree is more and more high, acoustics, air conditioning and other vehicle intelligent electronic equipment is becoming more and more rich, at the same time complex variety of on-board equipment of on-board power system was put forward higher requirements, especially for new energy electric vehicles, requires a large capacity, high efficiency, low energy consumption, dc power supply system. The main load on electric cars now is 12V. Unlike gasoline-powered cars, most electric vehicles use dc-dc converters, which convert high voltage to low voltage, usually 12 volts, to power the devices in the car.Based on the state equation of the induction motor, a sliding mode theory is used to design a sliding mode observer for on-line estimation of the rotational speed of the induction motor and the rotor flux linkage and the rotor flux angle, which serves as the feedback of the control system to realize the induction motor speed Sensor control. Through the vector control theory, the current and voltage of the induction motor are transformed by 3/2, and the dq transformation is carried out by using the observed rotor flux angle to realize the directional control according to the rotor flux. Then, for the outer ring and the inner ring Sliding mode controller. The simulation tool, simulink is used to simulate and analysis the simulation results.

For the traditional PWM controlled dc-dc converter of electric vehicle, it is a hard switch, which not only has low switching efficiency, but also produces a large loss in the process of continuous switching off and on. However, as long as the MOSFET on the original side is turned on and the rectifier diode on the secondary side is turned off, the voltage and current do not overlap on the waveform. In other words, the soft switching technology is applied to the converter, the loss will be greatly reduced and the working efficiency of the main circuit will be greatly improved. Therefore, we know that the LLC resonant dc-dc converter can be used to realize the wide input and make the original side switch tube realize ZVS, while the secondary side rectifier tube realize ZCS, which is obviously a better choice for the converter of electric vehicles.

In this paper, the corresponding use of electric cars made a detailed study of LLC resonant converter is half bridge, also introduced a variety of traditional transformer, this paper introduces the LLC resonant converter in a variety of different situations of different working condition, and its working process, and through the MATLAB software to steady state model of LLC resonant converter is half bridge, completed the main circuit parameter design, and through the simulink simulation verification, for different voltage, comparing the input condition has proved its superiority.

Keywords: LLC half bridge resonance; dc-dc converter; Soft switch; PWM control

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景以及意义 1

1.2车载LLC谐振DC-DC变换器的发展情况 1

1.2.1国外车载LLC谐振DC-DC变换器的发展情况 1

1.2.2国内车载LLC谐振DC-DC变换器的发展情况 2

1.3软开关技术的介绍 2

1.3.1传统的硬开关技术介绍 2

1.3.2软开关技术的应用 4

1.3.3软开关技术的分类 5

1.4本文的主要研究内容 6

第2章 DC-DC谐振变换器的分析比较 7

2.1 DC-DC变换器的介绍 7

2.1.1串联谐振DC-DC变换器 7

2.1.2并联谐振DC-DC变换器 9

2.1.3串并联谐振变换器 10

2.2 LLC谐振变换器 11

2.2.1 LLC谐振变换器的特点 11

2.2.2 LLC谐振变换器与PWM变换器的比较 12

2.3本章小结 14

第3章 LLC谐振变换器的结构分类与比较 15

3.1 LLC谐振DC-DC变换器的开关电路结构 15

3.2 LLC谐振DC-DC变换器整流部分分析 17

3.2.1 LLC谐振变换器适用的整流结构及比较 17

3.3本章小结 21

第4章 LLC半桥谐振电路的工作原理分析 22

4.1 引言 22

4.2 LLC半桥谐振电路的结构 22

4.3 LLC半桥谐振DC-DC变换器的工作原理 22

4.3.1 时候的工作特性 23

4.3.2 时的工作状态 26

4.3.3 时的工作状态 30

4.4 本章小结 30

第5章 LLC谐振变换器的稳态分析与参数设计和仿真 32

5.1 稳态分析介绍 32

5.2 基波分析法的原理 32

5.3 通过基波分析方法建模 33

5.3.1 基波分析电路的拓扑 33

5.3.2开关电路分析 34

5.3.3 谐振电路分析 36

5.3.4 整流部分的分析 37

5.3.5 主电路整体的结构分析 39

5.4 变压器的特性分析 39

5.5 变换器参数的设计 42

5.5.1 品质因数的确定 42

5.5.2 变换器工作频率的选择 43

5.5.3 电感系数比的选择 43

5.5.4 谐振器件参数的选择 44

5.5.5设计步骤总结 44

5.6 仿真分析 45

5.6.1 320V输入电压额定状态下的输出验证 45

5.6.2 不同电压下的扩展情况分析 48

5.6.3 不同负载情况下的仿真分析 50

5.7 本章小结 53

第6章 总结展望 54

6.1 工作总结 54

6.2 工作展望 54

参考文献 55

附录A LLC半桥谐振电路模型图 56

致谢 57

第1章 绪论

1.1课题研究的背景以及意义

面对日益严重的环境污染，人们从未停止寻找清洁、环保的新能源。与传统汽车相比较，电动汽车没有废气排放，它的能源也可以来自风能或太阳能等清洁能源。由于电动汽车没有传统的机车发动机，因此为汽车的12V系统供电的交流发电机也没有了。电动汽车的能量来源是电池组，它为牵引电力驱动系统提供300-600v的高压。同时，还增加了一个DC/DC变换器，将电池组的高压转换成12V的系统电压，为车载系统如电灯、空调、控制器、真空泵等30多种设备供电。随着国家的努力促进电动汽车的运行,市场上销售的数量不断增加,用户对于电动汽车的舒适性、智能化、安全性也提出了更高的要求，而用户的这些需求也间接导致了电动汽车车载设备的电能消耗增加，对其性能以及功率方面的要求也越来越高，正义如此，市场上需要一种高效率的DC-DC变换器来满足电动汽车的这一需求。

1.2车载LLC谐振DC-DC变换器的发展情况

1.2.1国外车载LLC谐振DC-DC变换器的发展情况

韩国的科学技术院和美国的国家电力电子中心是对LLC半桥谐振DC-DC变换究较深入的两家单位。^[1]

美国国家电力电子中心的博士生杨波和他的导师李泽元教授不仅对LLC谐振式DC-DC变换器研究最早，同样也是研究最深入的，他们在分布电源中采用了LLC谐振DC-DC变换器并且取得了不错的效果。^[2]同时杨波博士通过对LLC谐振变换器参数设计和工作特性的深入研究发表了多篇论文，对今后很多学者的科研工作提供了很多关键性的帮助。^[3]与此同时，另一位科学家Weiyi Feng通过对MOSFET功率管漏源极之间电压的采样，借助数字控制芯片进行同步化整流，而且使用了非隔离型LLC谐振变换器结构大大减少了变压器副边的电流以及其匝数，这种新的数字式的控制方式很大程度上减少了变压器的损耗。^[4]