CN104539158B - 一种输出本安型llc谐振变换器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，首先根据设计要求对其参数进行了设置，然后计算所述谐振变换器的原边峰值电流I_pk以及流过输出电容电流有效值I_{c_rms}并计算输出短路时最大释放能量W_max，最后对对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压与预期纹波电压进行评判判断，若所述LLC谐振变换器的输出是满足本质安全的且满足纹波电压的要求，则设计结束，否则重新设计。本发明设计方法可适用于具有隔离要求的本安应用场合，采用LLC拓扑结构，实现了开关管的ZVS开通以及副边二极管的ZCS关断，提高了变换器的效率，在提高电源的电磁兼容性能的同时，保证了变换器的本质安全性能。

Description

一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种在煤炭、石油、化工等领域应用的DC-DC变换器，尤其涉及一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法。

背景技术

传统的隔爆型电气设备的防爆手段是将可能产生电火花的电路部位全部封装于隔爆外壳中，但外壳并非完全封闭，只是在结合部保持一定宽度和间隙。当壳内气体混合物发生爆炸时，不仅外壳的强度能承受爆炸时的压力，而且自间隙逸出的电火花已减弱到不能引起环境气体爆炸的强度。如果电路开关设备功率大，控制元件多，则隔爆外壳将大而笨重。

作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，本质安全电气设备则摆脱了笨重的隔爆外壳，因而重量轻、体积小、节约大量钢材、价格低、制造维修方便，在石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物的环境中广泛应用。根据标准GB3836.4的规定，本质安全电气设备通过将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能点燃的水平来达到防爆的目的。本安防爆技术的基本原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证电气设备在正常工作或发生短接、元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不至于引起其周围可能存在的危险气体爆炸。

现有的本安型DC-DC变换器多是采用线性电源实现。线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，这与本安防爆电源需要限制输出能量存在设计上的矛盾。而且线性电源电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。另外，目前在本安开关变换器方面的研究与应用主要集中在BUCK等非隔离变换器，不能很好的适应于具有隔离要求的本安应用场合。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种本安型LLC谐振变换器的设计方法，它采用LLC拓扑结构，每个开关管承受最大输入电压，并且能够实现开关管的ZVS开通以及副边二极管的ZCS关断，提高了变换器的效率。另外，高频变压器的使用大大减小了整个装置的体积，在实现降低开关损耗，提高电源的电磁兼容性能的同时，保证变换器的本质安全性能。

一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据设计要求，设定如下参数：

输入电压范围V_{in_min}～V_{in_max}，额定输入电压V_{in_nom}，输出电压V_o，期望纹波电压ΔV₁，输出电流I_o，输出功率P_o，电感系数k；

步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率f_r，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值I_pk以及流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}；

步骤3：根据步骤2设定的谐振频率f_r、以及计算得到的I_pk、I_{c_rms}计算输出短路时最大释放能量W_max；

步骤4：对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压值ΔV₂进行评判判断，若所述谐振变换器的输出满足本质安全，且实际纹波值ΔV₂在期望纹波值ΔV₁以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。

进一步地，如上所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，步骤2中谐振频率f_r设定为100kHz，额定输入时变换器工作在f_r附近，所述原边电流峰值I_pk计算公式如下：

所述步骤2中流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}计算公式如下：

其中，V_o为输出电压，n为变压器变比，R_L为负载电阻，f_r为谐振频率，L_m为励磁电感，I_o为输出电流。

进一步地，如上所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，步骤4中判断谐振变换器的输出是否满足本质安全的条件包括：LLC谐振变换器的等效电容C_e小于临界点燃电容C_B，即C_e<C_B，则开关变换器的输出是本质安全的；

其中，LLC谐振变换器的等效电容C_e根据下式得到：

C_B为根据国标GB3836.4的要求，需在电压上考虑到安全系数K，则对于输出电压为V_o的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV_o对应的临界点燃电容。

进一步地，如上所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，步骤4中所述实际纹波值ΔV₂计算公式如下：

ΔV₂＝I_{c_rms}R_esr

其中，I_{c_rms}为流过输出电容的电流有效值，R_esr为输出滤波电容的等效串联电阻。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明能很好的适应于具有隔离要求的本安应用场合，而且能够实现开关管的ZVS开通以及副边二极管的ZCS关断，消除了二极管反向恢复产生的损耗，提高了变换器的效率，同时高频变压器的使用大大减小了整个装置的体积，在实现降低开关损耗，提高电源的电磁兼容性能的同时，保证变换器的本质安全性能。

附图说明

图1为本发明输出本安型LLC谐振变换器设计方法流程图；

图2为是LLC谐振变换器的原理图；

图3是工作在f_r附近时LLC谐振变换器的谐振网络电流波形图；

图4是LLC谐振变换器的输出短路实验简化图；

图5是输出短路火花放电等效简单电容电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明输出本安型LLC谐振变换器设计方法流程图，如图所示，本发明提供的设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据设计要求，设定如下参数：

输入电压范围V_{in_min}～V_{in_max}，额定输入电压V_{in_nom}，输出电压V_o，期望纹波电压ΔV₁，输出电流I_o，输出功率P_o，电感系数k；

步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率f_r，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值I_pk以及流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}；所述谐振频率f_r既要考虑到管子的承受能力也要考虑到实际效果，一般会选择在50～300kHz之间，本发明在此处选择f_r为100kHz；

步骤3：根据步骤2设定的谐振频率f_r、以及计算得到的I_pk、I_{c_rms}计算输出短路时最大释放能量W_max；

步骤4：对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压值ΔV₂进行评判判断，若所述谐振变换器的输出满足本质安全，且实际纹波值ΔV₂在期望纹波值ΔV₁以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。

本发明这样设计的原因就是考虑最恶劣的情况下，即最大输出短路能量时的等效电容如果小于临界点燃电容，那么在任何情况下都是满足的。对于LLC的设计文章有很多，但它们都不是从输出本安角度来设计的，而本发明正利用这一点设计一款输出本安型LLC谐振变换器，它是可以在矿井等容易发生爆炸事故场合应用的，又恰好充分利用了LLC变换器的诸多优点。而输出纹波的大小很大程度地决定了本安性能的好坏，所以又要同时考虑纹波的大小。

下面对本发明的设计方法进行解释阐述：

图2为LLC谐振变换器的原理图，如图2所示，其中V_in是输入电压，i_r为谐振网络电流，i_m为励磁电流，I_o为输出电流，I_{r_rms}为流过输出电容的电流有效值，Q1、Q2为两个功率开关管，D_Q1、D_Q2分别为开关管Q1、Q2的体二极管，C_Q1、C_Q2分别是开关管Q1、Q2的节电容，L_m是变压器的励磁电感，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容，N_p和N_s1、N_s2分别为初次级绕组线圈的匝数，D1、D2为整流二极管，C为输出滤波电容，V_o为变换器输出电压，R_L为变换器负载。

功率开关管Q1、Q2互补导通，占空比约为0.5，驱动信号间加入死区时间防止上、下桥臂直通。励磁电感L_m、谐振电感L_r、谐振电容C_r组成了一个谐振腔，通过这三个元件对频率呈现出的不同阻抗特性，谐振腔的阻抗可以随着频率的变化而变化，因而可以通过控制开关频率来调节输出电压，最终维持负载电压不变。在变压器副边，整流二极管D1和D2组成中间抽头的全波整流电路，整流二极管直接连接到输出电容C上。在工作过程中，由于会出现变压器初级电压被钳位的情况，因此存在励磁电感L_m不参与谐振的情况，因此LLC谐振变换器的谐振频率有两个。当励磁电感L_m不参与谐振时，谐振频率f_r由谐振电感L_r、谐振电容C_r产生，即

当励磁电感L_m参与谐振时，谐振频率f_m由励磁电感L_m，谐振电感L_r，谐振电容C_r产生，即

对于半桥LLC谐振变换器来说，可以运行在三种工作模式下，但为了实现MOS管的ZVS和整流管的ZCS，这里选取将工作频率设定在谐振频率f_r附近。

基于FHA的分析方法，所述LLC谐振变换器电路的等效负载阻抗为：

上式中：n为变压器变比，R_L为负载电阻，R_L＝V_o/I_o。

而变压器变比n可通过下式计算求得：

式(4)中：V_{in_nom}为额定输入电压，V_o为输出电压，V_F为整流二极管压降。

再根据最大增益的要求，求得谐振腔的品质因数如下：

上式中：k电感系数，G_max为最大电压增益，G_max可通过下式求得：

上式中：V_{in_nom}为额定输入电压，V_{in_min}为最低输入电压。

由式(3)～(6)可求得谐振电容C_r、谐振电感L_r、励磁电感L_m如下：

式中：f_r为谐振频率，R_AC为等效负载阻抗，Q为谐振腔品质因数，为电感系数。

当电路工作于谐振频率f_r附近时，谐振网络电流为如图3所示的正弦波。其中i_m为励磁电流。在每半个开关周期结束时，励磁电流达到最大值，与谐振网络电流i_r相等。由此可求得原边电流峰值为：

其中V_o为输出电压，n为变压器变比，R_L为负载电阻，f_r为谐振频率，L_m为励磁电感。

再根据能量守恒原则，可得到流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}为：

如图4所示为LLC谐振变换器的输出短路实验电路，G为火花试验装置，当火花试验装置的两极短接时，LLC谐振变换器输出短路。由图可以看出，LLC谐振变换器能量主要储存在电感电容中，当原边电流达到峰值时刻，这时电感的储能最大，为：

其中，L_m为变压器原边励磁电感，I_pk为原边峰值电流。

通常纹波电压远小于输出电压，这里忽略纹波电压的影响，此时输出滤波电容的最大储存能量为：

式中：C为输出滤波电容值，V_o为输出电压。

因此，输出短路释放的最大能量W_max近似为：

将式(3)、(7)、(8)带入式(12)，则所述变换器储存最大能量的表达式为：

LLC谐振变换器输出本安主要考虑输出短路造成的电火花的引燃危险气体的可能性。但由于LLC谐振变换器包含了电感元器件，其输出本安性能并不能直接根据电容电路的最小点燃曲线进行判断。为此，必须考虑将变换器最大输出短路释放能量等效为简单电容电路来处理，图5所示即为LLC谐振变换器的输出短路时等效的简单电容电路，其中，输出短路等效电容为：

经等效变换后即可采用容性电路的最小点燃电压曲线对变换器的输出本质安全性进行判断，根据国际GB3836.4的要求，需在电压上考虑到安全系数K(一个故障，安全系数为1.5)，则对于输出电压为V_o的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV_o对应的临界点燃电容C_B，而变换器满足输出本安的依据为：

C_e<C_B (15)

将式(13)代入式(14)，并结合式(15)可得出输出本安的判断条件为：

即可得到选择输出滤波电容时的容量上限条件：

由上面综述可知，对于一个参数确定的LLC谐振变换器，可按以下步骤对其输出本质安全性能进行评判：

(1)根据变换器谐振频率f_r和所选输出电容C由式(13)求得变换器的最大输出短路释放能量W_max；

(2)根据式(14)求得输出短路等效电容C_e，从而得出LLC谐振变换器在输出短路情况下的等效简单电容电路；

(3)根据国标GB3836.4的要求，需在电压上考虑到安全系数K(一个故障，安全系数为1.5)，则对于输出电压为V_o的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV_o对应的临界点燃电容C_B，而变换器满足输出本安的依据为C_e<C_B，如果得到的等效电容C_e小于最小点燃电容C_B，则认为开关变换器的输出是本质安全的。

在满足输出是本质安全的情况下，再根据所选输出滤波电容的等效串联电阻R_esr计算输出实际纹波电压值ΔV₂，计算公式如下：

ΔV₂＝I_{c_rms}R_esr (18)

将实际纹波电压值ΔV₂与期望纹波电压值ΔV₁进行比较，如果满足ΔV₂<ΔV₁，则设计结束，否则需要重新选择电容。

试验例：

下面通过一个实施例来验证本发明设计方法的正确性；

一台工作于Ⅰ类环境的LLC谐振变换器，其主要参数指标如下：输入电压范围：V_{in_min}～V_{in_max}＝370V～410V，额定输入电压：V_{in_nom}＝400V，输出电压：V_o＝12V，纹波电压：ΔV₁＝200mV，输出电流：I_o＝2A，输出功率：P_o＝24W，电感系数：k＝5，谐振频率f_r设定为100kHz，额定输入时变换器工作在f_r附近。

根据式(17)可求得输出电容上限值为：

式中，根据Ⅰ类环境电容最小点燃曲线查得输出电压KV_o所对应的电容值C_B＝102μF。

由式(9)求得流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}为：

根据输出电容上限值，再结合电容的耐压等级，本实施例选择5个15μF/35V/0.8Ω的钽电容并联作为输出滤波电容。并联后，电容总量为15μF×5＝75μF<100μF，满足输出本质安全的要求；并联后的ESR为R_esr＝0.8/5Ω＝0.16Ω，则实际纹波值ΔV₂＝0.964×0.16V＝155mV<ΔV₁＝200mV，达到预期的要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据设计要求，设定如下参数：

输入电压范围V_{in_min}～V_{in_max}，额定输入电压V_{in_nom}，输出电压V_o，期望纹波电压ΔV₁，输出电流I_o，输出功率P_o，电感系数k；

步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率f_r，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值I_pk以及流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}；

谐振频率f_r设定为100kHz，额定输入时变换器工作在f_r附近，所述原边电流峰值I_pk计算公式如下：

流过输出电容的电流有效值I_{c_rms}计算公式如下：

其中，V_o为输出电压，n为变压器变比，R_L为负载电阻，f_r为谐振频率，L_m为励磁电感，I_o为输出电流；

步骤3：根据步骤2设定的谐振频率f_r、以及计算的I_pk、I_{c_rms}计算输出短路时最大释放能量W_max；

步骤4：对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压值ΔV₂进行评判判断，若所述谐振变换器的输出满足本质安全，且实际纹波值ΔV₂在期望纹波值ΔV₁以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容；

判断谐振变换器的输出是否满足本质安全的条件包括：LLC谐振变换器的等效电容C_e小于临界点燃电容C_B，即C_e<C_B，则开关变换器的输出是本质安全的；

其中，LLC谐振变换器的等效电容C_e根据下式得到：

C_B为根据国标GB3836.4的要求，需在电压上考虑到安全系数K，则对于输出电压为V_o的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV_o对应的临界点燃电容；

所述实际纹波值ΔV₂计算公式如下：

ΔV₂＝I_{c_rms}R_esr

其中，I_{c_rms}为流过输出电容的电流有效值，R_esr为输出滤波电容的等效串联电阻。