Laajan tulojännitealueen resonanssiteholähde

Abstract

Tässä työssä perehdytään LLC-resonanssimuuttajan toimintaan ja sen tulojännitealueen laajentamiseen. LLC-muuttajan toimintaan perehdytään ensin piirin jännitevahvistusta mallintavalla perusaaltoapproksimaatiolla. Jännitevahvistuksen lisäksi tutustutaan muuttajan eri toimintatiloihin ja jännitteettömän kytkennän toteutumiseen. Työssä tehdään kirjallisuuskatsaus erilaisiin LLC-muuttajalle sopiville tulojännitteen laajennusmenetelmiin. Menetelmistä ensiön vaihtosuuntaajan puoli-kokosilta topologiavaihdosta tutkitaan työssä syvemmin. Topologiavaihdokseen ja siitä syntyviin transientteihin perehdytään resonanssipiirin jännite–virta-kuvaajien ja simulaatiomallin avulla. Työssä kehitetään myötäkytkentää hyödyntävä vaihdosmenetelmä, jolla vaihdoksen transientit saadaan minimoitua. Eri vaihdosmenetelmiä kokeillaan käytännössä prototyyppilaitteella. Myötäkytkentää hyödyntävä vaihdosmenetelmä osoittautuu lupaavaksi menetelmäksi. Lopuksi prototyyppilaitteen hyötysuhde mitataan laajalla tulojännitealueella kummallakin topologialla. Mittaukset osoittavat topologiavaihdoksen olevan varteenotettava menetelmä LLC-resonanssimuuttajan tulojännitealueen laajentamiseen ja hyötysuhteen nostamiseen.

This thesis studies the operation of LLC resonant converter and methods to widen its operating input voltage range. First, the voltage gain of the converter is investigated using first harmonic approximation (FHA). The converter's different operating modes and the realisation of zero voltage switching in the power switches are studied. A literary study is conducted on methods to widen the input voltage range of an LLC converter. Out of the studied methods, a topology morphing method which changes between half- and full-bridge inverter topologies is studied more closely. The method and its transients are studied using trajectories of the resonant circuit and with a simulation model. A method with feedforward compensation is developed which exhibits excellent transient performance in simulations. Different topology changing methods are tested in practice with a prototype converter. The performance of the feedforward method is verified. Finally, the power efficiency of the converter is measured with both topologies. The topology morphing method is verified to improve the input voltage range and efficiency of the prototype converter.