CN116683776A - 一种llc变换器参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种LLC变换器参数设计方法，属于变换器参数设计技术领域，包括如下步骤：利用基波分析法确定增益特性方程，通过求解变换器的空载增益确定电感变比；根据增益方程确定变换器谐振腔感性与容性的分界线，通过求解分界线表达式确定最小开关频率，通过输入阻抗方程及电感变比确定最小开关频率对应的第一电路品质因数极大值；通过死区时间内谐振电流最小值及电感变比确定最大开关频率对应的第二电路品质因数极大值；根据第一电路品质因数极大值及第二电路品质因数极大值确定变换器目标参数。本发明能够直接计算出合理的电感变比，不需要依靠经验反复尝试以选取电感变比，且能满足全工作范围内的ZVS。

Description

一种LLC变换器参数设计方法
技术领域
本发明属于变换器参数设计技术领域，具体涉及一种LLC变换器参数设计方法。
背景技术
在全负载范围内，LLC变换器可以利用原边开关管的体电容作用，自动实现MOS的零电压开通(ZVS)，在一定条件下还可以实现整流二极管的零电流关断(ZCS)。满足变换器高效率的要求。在数据中心供电，LED驱动，电动汽车充电等领域已广泛应用。其中谐振元件的参数决定了变换器的性能，要保证谐振变换器的高性能必须设计出合理规范的谐振腔参数。现有的LLC变换器参数设计方法如专利申请号为201910584842.9一种LLC谐振变换器参数设计方法，在主电路参数设计的过程中采取优化选取电感系数K的方法，最终达到了变换器性能优化的效果。然而，其设计过程需要反复尝试改变参数，以求达到合理范围，增加了参数设计过程的复杂性。另外，论文《一种基于简化时域方程的LLC谐振变换器参数设计方法》在开关频率小于谐振频率处，利用简化时域分析方法简单有效的设计出了谐振参数值，但是此设计使变换器一直工作在欠谐振状态，且能够允许设计输入电压的范围不高，降低了变换器的工作效率。
发明内容
为了克服在设计参数过程中，通过不断反复尝试改变参数以确定参数范围，导致参数设计过程复杂的问题，本发明提供了一种LLC变换器参数设计方法，包括如下步骤：
利用基波分析法确定增益特性方程；
通过增益特性方程求解变换器的空载增益以确定电感变比；
根据增益方程确定变换器谐振腔感性与容性的分界线，通过求解分界线表达式确定最小开关频率，通过输入阻抗方程及电感变比确定最小开关频率对应的第一电路品质因数极大值；
通过死区时间内谐振电流最小值及电感变比确定最大开关频率对应的第二电路品质因数极大值；
根据第一电路品质因数极大值及第二电路品质因数极大值确定变换器目标参数。
优选的，所述增益特性方程为：
式中，k为电感变比，h为归一化频率，Q为电路品质因数。
优选的，通过增益特性方程确定变换器空载增益的电感变比，包括如下步骤：
将增益特性方程的等效电阻定义为无穷大，得到电路品质因数为0，以确定空载增益方程；
通过空载增益方程确定变换器在最大开关频率工作时的最小增益方程；
通过最小增益方程确定变换器空载增益的电感变比。
优选的，所述空载增益的电感变比为：
式中，Gmin为变换器的最小增益，hmax为最大开关频率与谐振频率的比值。
优选的，所述输入阻抗方程为：
式中，ωs为开关角频率、Cr为谐振电容、Lr为谐振电感，Lm为励磁电感，Rac为折算到变压器原边的等效电阻，Zr为特征阻抗，k为电感变比，h为归一化频率，Q为电路品质因数，j为虚数单位。
优选的，所述第一电路品质因数极大值为：
式中，fmin为最小开关频率，fr为谐振频率，hmin为归一化频率的最小值，k为电感变比，Qmax1为第一电路品质因数极大值。
优选的，所述第二电路品质因数极大值为：
式中，Coss为寄生电容，Td为死区时间，k为电感变比，Rac为折算到变压器原边的等效电阻，hmax为最大开关频率与谐振频率的比值，Qmax2为第二电路品质因数极大值。
优选的，所述电路品质因数为：
Q＝90％～95％min{Qmax1，Qmax2}。
优选的，所述变换器目标参数包括：变压器原副边变比n、谐振电容Cr、谐振电感Lr及励磁电感Lm，计算公式分别为：
Lm＝k×Lr
式中，Vin_nom为输入电压额定值，Vo为输出电压，Vd为副边整流二极管导通时的压降，fr为谐振频率，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，fr为谐振频率，Zr为特征阻抗，Rac为折算到变压器原边的等效负载，RL为变换器负载端等效电阻，n为变压器原副边变比，Q为电路品质因数，谐振电容Cr。
优选的，所述最小增益Gmin的计算公式为：
式中，Vin_max为输入电压最大值，Vo为输出电压，Vd为副边整流二极管导通时的压降，n为变压器原副边变比。
本发明提供的LLC变换器参数设计方法具有以下有益效果：
本发明通过利用基波分析法能够确定增益特性方程，通过求取增益特性方程的ZVS的交界条件，能够直接计算出合理的电感变比，不需要依靠经验反复尝试以选取电感变比；通过对输入阻抗方程及死区时间内谐振电流最小值的计算能够确定最小开关频率对应的第一电路品质因数极大值及最大开关频率对应的第二电路品质因数极大值，从而可以求变换器的目标参数，使变换器满足全工作范围内的ZVS，在最大输入电压或者变换器空载时依然能够调节，满足了最大增益要求，提高了变换器的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的半桥LLC谐振变换器主功率拓扑；
图3为LLC谐振变换器交流等效电路图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例
本发明提供了一种LLC变换器参数设计方法，包括如下步骤，如图1所示：
步骤1：利用基波分析法确定增益特性方程，通过增益特性方程求解变换器的空载增益以确定电感变比。
利用基波分析法对半桥LLC谐振变换器的开关网络、谐振网络、整流输出网络(如图2所示)逐一分析，可以得到变换器的增益特性方程，具体为：
式中，k为电感变比，h为归一化频率，Q为电路品质因数。
步骤2：通过求解变换器的空载增益确定电感变比，具体包括如下步骤：
(1)将增益特性方程的等效电阻定义为无穷大，得到电路品质因数为0，以确定空载增益方程；
由于增益特性方程中而/>令，则Rac为无穷大，因此Q趋于0，则得到空载增益方程：
其中，RL为变换器负载端等效电阻，n为变压器原副边变比，将负载RL折算到变压器原边侧后可得到等效交流负载Rac，其两端电压为nVo，变换器的交流等效电路图如图3所示。
(2)通过空载增益方程确定变换器在最大开关频率工作时的最小增益方程；
为了保证变换器在最大开关频率工作时能满足空载条件，此时得到最小增益：
由此可求得电感变比为：
式中，Gmin为变换器的最小增益，hmax为最大开关频率与谐振频率的比值。
其中，最小增益Gmin的计算公式为：
式中，Vin_max为输入电压最大值，Vo为输出电压，Vd为副边整流二极管导通时的压降，n为变压器原副边变比。
步骤2：根据增益方程确定变换器谐振腔感性与容性的分界线，通过求解分界线表达式确定最小开关频率，通过输入阻抗方程及电感变比确定最小开关频率对应的第一电路品质因数极大值。
由增益方程可知，最小开关频率发生在谐振腔感性与容性的分界处，此时增益达到最大值Gmax，同时这也是保证开关管实现ZVS的一个条件。
输入阻抗方程为：
式中，ωs为开关角频率、Cr为谐振电容、Lr为谐振电感，Lm为励磁电感，Rac为折算到变压器原边的等效电阻，Zr为特征阻抗，k为电感变比，h为归一化频率，Q为电路品质因数，j为虚数单位。
令上式虚部为零，此时变换器工作在感性与容性的分界处(此时得到的表达式为分界线表达式)，得到最小开关频率对应的第一电路品质因数极大值：
式中，fmin为最小开关频率，fr为谐振频率，hmin为归一化频率的最小值，k为电感变比，Qmax1为第一电路品质因数极大值。
步骤3：通过死区时间内谐振电流最小值及电感变比确定最大开关频率对应的第二电路品质因数极大值。
为了满足变换器的零电压开通，还需满足死区时间的要求，在MOSFET的驱动死区时间内，半桥中点上的电压为输入电压。由于输入电流相位滞后于输入电压，故在半周期结束后仍有电感电流流入谐振电路,该电流就可给MOSFET寄生电容Coss进行充放电,使中点上电压从下降到零。为保证ZVS，在半周期结束时的谐振电流必须大于在死区时间内给Coss完成充放电所必需的最小电流，即
为刚进入死区时刻谐振腔的电流，近似可用表示：
从上式可以看出的最小值发生在开关频率最大处，将Lm，nVo用Vin，k,h,Q替代后，进一步整理可得的最小值：
整理可得最大开关频率对应的第二电路品质因数极大值：
式中，Coss为寄生电容，Td为死区时间，k为电感变比，Rac为折算到变压器原边的等效电阻，hmax为最大开关频率与谐振频率的比值，Qmax2为第二电路品质因数极大值。
步骤4：根据第一电路品质因数极大值及第二电路品质因数极大值确定变换器目标参数。
为了在整个运行范围内确保ZVS，必须使变换器的最大品质因数Qmax低于和中最小的一个，并且取5％-10％裕量，最后得到：
Q＝90％～95％min{Qmax1，Qmax2}。
变换器目标参数包括变压器原副边变比n、谐振电容Cr、谐振电感Lr及励磁电感Lm，其具体公式为：
Lm＝k×Lr
式中，Vin_nom为输入电压额定值，Vo为输出电压，Vd为副边整流二极管导通时的压降，fr为谐振频率，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，fr为谐振频率，Zr为特征阻抗，Rac为折算到变压器原边的等效负载，RL为变换器负载端等效电阻，n为变压器原副边变比，Q为电路品质因数，谐振电容Cr。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LLC变换器参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用基波分析法确定增益特性方程；
通过增益特性方程求解变换器的空载增益以确定电感变比；
根据增益方程确定变换器谐振腔感性与容性的分界线，通过求解分界线表达式确定最小开关频率，通过输入阻抗方程及电感变比确定最小开关频率对应的第一电路品质因数极大值；
通过死区时间内谐振电流最小值及电感变比确定最大开关频率对应的第二电路品质因数极大值；
根据第一电路品质因数极大值及第二电路品质因数极大值确定变换器目标参数。
2.根据权利要求1所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述增益特性方程为：
式中，k为电感变比，h为归一化频率，Q为电路品质因数。
3.根据权利要求2所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，通过求解变换器的空载增益确定电感变比，包括如下步骤：
将增益特性方程的等效电阻定义为无穷大，得到电路品质因数为0，以确定空载增益方程；
通过空载增益方程确定变换器在最大开关频率工作时的最小增益方程；
通过最小增益方程确定变换器空载增益的电感变比。
4.根据权利要求3所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述空载增益的电感变比为：
式中，Gmin为变换器的最小增益，hmax为最大开关频率与谐振频率的比值。
5.根据权利要求3所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述输入阻抗方程为：
式中，ωs为开关角频率、Cr为谐振电容、Lr为谐振电感，Lm为励磁电感，Rac为折算到变压器原边的等效电阻，Zr为特征阻抗，k为电感变比，h为归一化频率，Q为电路品质因数，j为虚数单位。
6.根据权利要求2所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述第一电路品质因数极大值为：
式中，fmin为最小开关频率，fr为谐振频率，hmin为归一化频率的最小值，k为电感变比，Qmax1为第一电路品质因数极大值。
7.根据权利要求6所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述第二电路品质因数极大值为：
式中，Coss为寄生电容，Td为死区时间，k为电感变比，Rac为折算到变压器原边的等效电阻，hmax为最大开关频率与谐振频率的比值，Qmax2为第二电路品质因数极大值。
8.根据权利要求7所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述电路品质因数为：
Q＝90％～95％min{Qmaxi，Qmax2}。
9.根据权利要求8所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述变换器目标参数包括：变压器原副边变比n、谐振电容Cr、谐振电感Lr及励磁电感Lm，计算公式分别为：
Lm＝k×Lr
式中，Vin_nom为输入电压额定值，Vo为输出电压，Vd为副边整流二极管导通时的压降，fr为谐振频率，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，fr为谐振频率，Zr为特征阻抗，Rac为折算到变压器原边的等效负载，RL为变换器负载端等效电阻，n为变压器原副边变比，Q为电路品质因数，谐振电容Cr。
10.根据权利要求4所述的LLC变换器参数设计方法，其特征在于，所述最小增益Gmin的计算公式为：
式中，Vin_max为输入电压最大值，Vo为输出电压，Vd为副边整流二极管导通时的压降，n为变压器原副边变比。
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