本文是一篇电气自动化论文，本文分析了谐振参数比k值过小时存在的输出电压纹波调制效应，以及k值过大时存在的最大工作占空比限制，为谐振参数的设计，提供了一定的参考依据。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着科学技术的快速发展，现代电力电子装置在追求高效率的同时，对小型化与高功率化也提出了更高的要求[1]。近年来，为了使用各种基于云端服务的社会及通信功能，消费类电子产品的数量显著增加，如移动电话、平板电脑、笔记本电脑等。这些产品需要高效的开关电源适配器，从而降低能源损耗，达到节能减排的目的。根据现有公开数据，得到中国电源适配器市场产值规模变化情况，如图1-1所示。从图中可以看出，在近十年内，适配器市场的规模以每年10%速率的增长[2]。其中，2017年的产值规模达到2164.24亿元左右，2019年的市场规模更是达到2400亿元[3]。在众多的开关电源适配器中，以手机电源适配器为例，根据中国信息通信研究院发布的2022国内手机市场运行分析报告，全年国内市场手机总体出货量累计2.72亿部。以手机和电源适配器1:1的比例进行保守估计，仅在2022年，全国就新增了约2.72亿只手机电源适配器[4]。
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手机电源适配器需要适应90Vac到264Vac的宽输入电压范围，并且采用被动散热的方式。在现有的消费类电源适配器中，通常采用输出电压调节范围广的反激或正激变换器拓扑结构，其体积的大小受到功率运行状态的影响[5-6]。这是因为对于只有被动散热方式的电源适配器来说，其最大允许表面温度，决定了满载下的最低效率和最小输入电压[7]。
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1.2 中小功率变换器拓扑技术
目前消费类电子产品的电源适配器功率等级在50W-300W范围内居多，主要采用的拓扑有以下三种类型：1. 准谐振反激变换器；2. 有源箝位反激变换器（Active clamp flyback converter, ACF）；3. 半桥LLC谐振变换器[20-21]。其中，准谐振或有源箝位反激变换器，采用脉冲宽度调制（Pulse width modulation, PWM）的工作方式。通过改变开关占空比来调节输出电压增益[22]，属于传统反激变换器的衍生，克服了传统反激变换器硬开关，以及变压器漏感能量造成的效率低下的问题[23]。LLC谐振变换器则是脉冲频率调制型（Pulse frequency modulation, PFM）变换器，通过改变开关频率来调节输出电压增益[24]，具有软开关工作的特点。下面将对这几种拓扑进行简要的分析与介绍。
1.2.1 准谐振反激变换器
在谐振开关单元的概念被提出后，将基本PWM变换器中的开关单元，替代为谐振开关单元后，即可形成准谐振开关变换器[25]。根据谐振电感、谐振电容与开关管结合方式的不同，可分为零电压开关单元和零电流开关单元两大类[26]。
准谐振技术是在PWM变换器拓扑中，利用图1.2所示的软开关单元，实现主开关管零电压或零电流开关的一种软开关技术[27-29]。在反激变换器中，利用变压器漏感与开关管寄生电容组成的L型软开关单元，再通过合适的控制策略，使开关管在漏源电压最低时导通，从而得到了准谐振反激变换器。
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第2章 谐振非对称半桥反激变换器的工作原理
2.2 工作原理
谐振非对称半桥反激变换器的电路结构如图2-1所示，主要包括输入电源Vin、开关管Q1与Q2、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变比为N的变压器TR、输出整流二极管Do、输出滤波电容Co和输出电阻Ro。
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在图2-1中，变换器的两个开关管工作在互补导通的状态。当上管导通，下管关断时，变换器的运行原理与反激变换器的运行原理一致。当上管关断，下管导通时，变换器的运行原理与LLC谐振变换器的运行原理一致。因此，谐振非对称半桥反激变换器同时具有反激变换器与谐振变换器的性质。在进行工作原理的分析时，由于变换器仍采用PWM调制策略，且谐振电流波形部分线性。因此，无法在变换器的理论分析中使用谐振变换器的基波分析法，而只能直接利用时域法进行求解，这增加了模态分析的难度。
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2.3 变换器软开关的实现
谐振非对称半桥反激变换器能够实现原边开关管的零电压开通，次级整流二极管的零电流开关。在对变换器进行软开关分析时，不仅需要考虑开关管漏源电容Cds的影响，还需要考虑死区时间内，励磁电流i Lm或谐振电流i Lr流过GaN 开关管的体二极管D1与D2，所带来的影响。因此，本节分析所用的变换器完整电路模型如图2-9示。为了简化后续地分析过程，还要对变换器作出如下的假设：
(1) 谐振电容Cr的容量较大，在死区时间内可视为一个恒压源； (2) 励磁电感Lm的感量较大，在死区时间内可视为一个恒流源； (3) 开关漏源电容Cds1（Cds2）可等效为线性电容，不受漏源电压vds1（vds2）的影响；
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第3章 谐振非对称半桥反激变换器的控制策略设计 ........................ 26
3.1 引言 ..................................... 26
3.2 间接型滞环电流控制的引入 ............................. 26
第4章 谐振非对称半桥反激变换器实验样机的优化设计 ................ 37
4.1 引言 .................................... 37
4.2 整体电路结构 ............................. 37
第5章 仿真与实验验证 .................................. 58
5.1 引言 ............................................. 58
5.2 仿真与实验参数 ................................... 58
第5章 仿真与实验验证
5.2 仿真与实验参数
为证明上述章节对谐振非对称半桥反激变换器理论分析与电路设计的正确性，本章对所设计的实验样机进行了仿真测试与实验测试。在仿真测试中，通过搭建变换器的电路模型，对变换器的稳态工作波形，控制策略进行了时域分析。利用频域扫描法，对所搭建的模型进行了传递函数伯德图扫描，以验证建模与补偿器设计的正确。同时，利用2D有限元仿真软件，对所设计的变压器进行了磁仿真分析，从而确保设计漏感与实际漏感之间具有较小的误差。
根据第四章的设计结果，得到仿真与实验所用的电路参数，对应的参数设计值如表5.1所示。
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结论
主要结果
本文主要从电路设计、控制策略设计这两个方面，对谐振非对称半桥反激变换器进行了优化设计：
（1）通过分析准谐振反激变换器、有源箝位反激变换器与半桥LLC谐振变换器的工作原理及优缺点后，指出这些拓扑应用在中小功率的电源适配器中，存在电压调节范围窄、开关管应力高、软开关性能较弱的缺点。而谐振非对称反激变换器则很好地克服了上述缺点，使其更适用于中小功率的电源适配器中。现有文献对谐振非对称半桥反激变换器的研究，主要集中在谐振状态的优化、变换器稳态增益的分析、电压模式的小信号建模，而未对其谐振参数的设计，磁性器件的设计，电流模式控制的小信号建模，进行仔细的分析研究。因此，本文主要围绕这三个方面展开了研究分析。
（2）通过分析谐振非对称半桥反激变换器的三种不同工作方式，指出变换器处于下管导通时间大于或等于谐振时间的工作方式时，其上管Q1的软开关过程将更容易实现。在对Q1的软开关过程进行数学建模后，求解出了变换器负向励磁电流幅值与输入母线电压的关系表达式，以及死区时间与谐振参数的表达式，从而得到了上管Q1在宽输入电压下，实现软开关的负向励磁电流条件与死区时间条件。
（3）为了使变换器在宽输入电压下，其上下管均能实现软开关运行，需要对变换器的负向励磁电流进行独立的控制。因此，本文引入了滞环电流控制略，实现了对变换器输出电压与负向励磁电流幅值的分别控制。但是，由于变换器具有反激变换器的性质，在上管Q1关断后，励磁电感流过的电流无法直接被测量，故本文通过捕获半桥中点电压vsw的上升时间，实现负向励磁电流幅值的控制，从而构成了间接型滞环电流控制策略。随后，对间接型滞环电流控制的谐振非对称反激变换器进行了小信号建模，通过忽略励磁电流的高频分量，从而将电流内环控制系统简化为一阶系统，其更有利于电压外环控制器的设计。
参考文献（略）