全桥LLC变换器的混合控制策略及热-磁研究.pdfVIP

摘要

随着我国对电动汽车的大力扶持以及信息技术产业的快速发展，全桥LLC谐振变

换器以其体积小、效率高、功率密度高等特点得到了广泛的应用。因此，对全桥LLC

谐振变换器宽输出电压范围、鲁棒性以及充电稳定性等性能的要求也越来越高。为了使

全桥LLC谐振变换器具有良好的充电品质，制定高效的控制策略已成为保证全桥LLC

谐振变换器优良工作特性的研究热点。同时，全桥LLC谐振变换器频率的升高以及体

积的缩小，其发热量急剧增加以及高频的电感元器件的电磁干扰也会急剧增加，对于全

桥LLC谐振变换器的散热以及磁屏蔽相关的措施也成为行业的研究热点，其对充电技

术以及延长电池使用寿命具有重大意义。本文围绕全桥LLC谐振变换器开展研究，主

要研究工作如下：

（1）本文对于DC/DC变换器拓扑结构背景研究的分析基础上，选取了高频率、高

效率、高功率密度以及低开关损耗特点的全桥LLC谐振变换器作为研究对象，并且对

其拓扑、参数进行了设计计算，对于其工作原理以及工作特性进行了分析。

（2）针对全桥LLC谐振变换器的PI控制响应速度慢和鲁棒性能差，滑模控制的方

法出现高频抖振的现象，提出了基于模糊规则切换控制的积分滑模-PI混合控制策略。

首先采用扩展函数描述法对电路的大信号进行建模，采用输入输出反馈线性化方法对滑

模控制策略进行了滑模面设计，根据滑模控制的存在性条件设计积分滑模控制的控制

律；PI控制器参数确定的合理性应用扫频法进行验证；经过多次试验，确定了输入输

出的最优隶属度函数，并完成了一种决定暂态阶段滑模控制为主，稳态阶段PI控制为

辅的模糊切换控制的设计。最后，在MATLAB/Simulink中建立系统仿真模型，进行输

入电压和负载突变两种不同工况实验条件下的仿真分析。结果表明，积分滑模-PI混合

控制具有瞬态响应速度快、超调小和鲁棒性能强等优点，且消除了滑模控制的抖振问题，

具有良好的控制效果。

（3）在考虑了实验条件以及实验安全性的基础上，设计了一款80W的小规格全桥

LLC谐振变换器实验样机，分别从电感元器件变压器以及谐振电感、MOS管和二极管

等进行了器件选型，对主控电路、驱动电路、电流、电压采样电路等进行了硬件方面的

设计；软件方面主要设计了20us与50ms两个中断，实现主电路的信息采集以及控制策

略的实现等工作。

（4）对于本文实验样机在ANSYS中建立有限元模型进行发热仿真分析，并从散热

器角度，应用正交实验法从散热器基板厚度、散热器材料以及散热翅片数量三个影响因

素中分析了散热器最大的散热影响因素为散热翅片的数量，并针对散热翅片数量设计了

有效的散热措施。对于主要电磁干扰元器件高频电压器在Maxwell中建立三维有限元模

型，在simplorer中建立主电路模型，在MATLAB/Simulink中建立控制器，实现三者的

联合仿真，分析了变压器在工作状态下的磁场强度，并且从物理屏蔽以及屏蔽干扰源的

角度设计了屏蔽罩进行电磁干扰屏蔽，通过对比分析抑制前后磁场强度，验证了电磁屏

蔽方法的有效性。

（5）在实验样机上通过对比PI控制策略，本文所提的基于模糊规则切换的积分滑

模-PI混合控制策略使系统在瞬态时具有更快速的响应，在稳态时能平稳输出电压没有

高频抖振现象，在负载突变时，所提控制策略使系统输出电压具有更小的超调以及更快

速的输出电压稳定特性，验证了所提控制策略的有效性以及鲁棒性。本文所提的散热措

施的验证是在恒温仓以及HBM数据采集系统条件下进行的，验证了实验条件下的实验

样机发热情况与仿真的对应情况，所提散热器结构对比了其他三种规格的常规散热器结

构，验证了所提散热器结构的正确性。

关键词：全桥LLC谐振变换器；积分滑模-PI混合控制策略；散热措施；磁屏蔽

Abstract

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