CN108521217A - 一种基于损耗最小的llc谐振变换器参数优化设计方法 - Google Patents

一种基于损耗最小的llc谐振变换器参数优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，以开关损耗Poff最小为目标，在定量分析开关损耗Poff与死区时间Td关系的基础上，给出最优的死区时间设计；并根据谐振腔阻抗特性为感性的条件，确定励磁电感Lm的数学约束关系；同时，利用直流电压增益M与归一化频率fn之间的关系，联合优化LLC谐振变换器的励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Cr。本发明方法，兼具安全性的同时能够实现LLC谐振变换器的高效率运行。

Description

一种基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，属于电力电子技术中DC/DC变换器的设计方法。
背景技术
LLC谐振变换器是在传统的LC二阶谐振变换器基础上增加一个并联电感改进而来，相对于普通串联、并联谐振变换器在特性上有了明显的改善。LLC谐振变换器是一种实用的软开关直流变换器，其电路结构简单，工作效率高，并在输入电压和负载变化范围很宽的情况下依旧具有良好的电压调节特性。近年来该拓扑结构成为功率变换器的研究热点拓扑，并且已经成功应用到不同的电源产品中，实现高效率的DC/DC变换。
发明内容
发明目的：为了进一步提高LLC谐振变换器的运行效率，本发明提供一种基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，避免死区时间设置的随意性，实现全负载范围内的ZVS。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，在定量分析开关损耗Poff与死区时间Td的关系，给出最优死区时间设计；并在此基础上，根据谐振腔阻抗特性为感性的条件，确定励磁电感Lm的数学约束关系；同时，利用直流电压增益M与归一化频率fn之间的关系，联合优化LLC谐振变换器的励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Cr；具体包括如下步骤：
(1)获取LLC谐振变换器的性能参数；
(2)采用基波等效法将LLC谐振变换器的LLC谐振电路变换为等效电路；
(3)针对等效电路，以开关损耗Poff最小为目标，在完全谐振点处，定量推导死区时间Td与励磁电感Lm的关系，建立开关损耗Poff与死区时间Td的关系，确定最优死区时间Td_opt；
(4)根据谐振腔阻抗特性为感性的条件，确定励磁电感Lm的数学约束关系；
(5)根据直流电压增益M与归一化频率fn之间的关系，确定LLC谐振变换器的励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q之间的第一关系；
(6)结合励磁电感Lm的数学约束关系和第一关系，求取励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q；
(7)根据励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q，确定LLC谐振变换器的励磁电感最优值Lm_opt、谐振电感Lr和谐振电容Cr。
具体的，所述步骤(1)中，LLC谐振变换器的性能参数包括开关管结电容Cj、开关管关断电流下降时间tf、输入电压Vin、变压器变比n、完全谐振频率fr、最小工作频率fmin、输出电压Vo和输出功率Po。
具体的，所述步骤(3)中，死区时间Td、开关损耗Poff的物理模型为：
Ts＝Tr+2Td，
其中：Ts为开关周期，Tr为谐振周期，fs为工作频率。
具体的，所述步骤(4)中，励磁电感Lm的数学约束关系包括：
θ≥2πfrTd_opt，
其中：θ为谐振腔功率因数角，fr为完全谐振频率，Io为输出电流。
具体的，所述步骤(5)中，LLC谐振变换器的励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q之间的第一关系为：
其中：fn为归一化频率。
优选的，所述励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k的取值范围为1～10之间，品质因数Q的取值范围为1以下。
有益效果：本发明提供的基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，在分析死区时间与开关损耗定量关系的基础上，对LLC谐振变换器进行优化设计，避免了死区时间设置的随意性；并且，从本发明从最低工作频率出发，可以实现全负载范围内的ZVS。
附图说明
图1为fs＝fr时，谐振电流和励磁电流的波形示意图；
图2为原、副边电流有效值Irms_p、Irms_s与死区时间关系图；
图3为死区时间与开关损耗的关系曲线图；
图4为fs＜fr时，谐振电流和励磁电流的波形示意图；
图5为基波分析法得到的等效电路；
图6为不同k值影响下的直流电压增益曲线族。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
首先对本发明中涉及的参数及其含义进行如下说明。
k：励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值； Q：品质因数；
fn：归一化频率； Lm：励磁电感；
Lr：谐振电感； Cr：谐振电容；
Cj：开关管结电容； tf：开关管关断电流下降时间；
Vin：输入电压； n：变压器变比；
fr：完全谐振频率； fmin：最小工作频率；
fs：工作频率； θ：谐振腔功率因数角；
Vo：输出电压； Po：输出功率；
RL：二次侧负载电阻； Td：死区时间；
Td_opt：最优死区时间 Lm_opt：励磁电感最优值；
Ts：开关周期； Tr：谐振周期；
Irms_p：一次侧谐振电流有效值； Irms_s：二次侧谐振电流有效值；
Io：输出电流； Iomax：满载输出电流；
Req：等效电阻。
在现有技术中，很少从死区时间Td方面考虑LLC谐振变换器的优化设计问题，并且死区时间Td的设计也缺乏理论性。本发明提供的方法，以开关损耗Poff最小为目标，在定量分析开关损耗Poff与死区时间Td关系的基础上，给出最优的死区时间Td_opt设计；并根据谐振腔阻抗特性为感性的条件，确定励磁电感Lm的数学约束关系；同时，利用直流电压增益M与归一化频率fn之间的关系，联合优化LLC谐振变换器的励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Cr。
如图1所示，在完全谐振点处(即fs＝fr处)，谐振电流iLr(t)和励磁电流iLm(t)的表达式分别为：
谐振电流iLr(t)和励磁电流iLm(t)之差的平均值为折算到原边的输出电流平均值：
死区时间Td与开关周期Ts、谐振周期Tr之间的关系为：
Ts＝Tr+2Td
根据上述推导，可得到一次侧谐振电流有效值与死区时间Td、励磁电感Lm的关系为：
二次侧谐振电流有效值与死区时间Td、励磁电感Lm的关系为：
为了实现原边开关管的ZVS开通，应满足关断时励磁电流峰值足够来为开关管的结电容抽流，则应满足：
带入上式，则一次侧谐振电流有效值、二次侧谐振电流有效值与死区时间Td的定量关系为：
LLC谐振变换器的开关损耗Poff与励磁电流峰值的关系为：
根据所要设计的LLC谐振变换器的性能参数，包括开关管结电容Cj、开关管关断电流下降时间tf、输入电压Vin、变压器变比n、完全谐振频率fr、最小工作频率fmin、输出电压Vo和输出功率Po等，设置相关参数值，可得到如图2所示的原、副边电流有效值与死区时间Td的关系图。如图3所示的死区时间Td与开关损耗Poff的关系，从而确定最优的死区时间Td_opt。
针对LLC谐振电路一般工作状态下对谐振腔参数进行优化设计，即工作频率fs小于完全谐振频率fr时，如图4所示。根据上述分析，励磁电流峰值iLm_pk可以表示为：
谐振电流表达式为：
当t＝0时，可求得谐振腔功率因数角θ的方程式为：
iLr(0)＝iLm(0)，
原边电流平均值与副边电流平均值关系为：
可得：
为实现LLC谐振变换器原边ZVS需要满足以下两点要求：(1)在死区时间内谐振电流未反向(即θ≥2πfrTd_opt)，在驱动信号到来之前，待开通开关管的体二极管已经导通，实现软开关；(2)原边开关管寄生电容在死区时间Td内放电完全。可得到：
当LLC谐振变换器工作在低频满载点时(fs＝fmin，Io＝Iomax)对应的励磁电感临界值为：
根据基波等效法(如图5)分析可知，二次侧负载电阻RL等效到一次侧的等效电阻Req为：
其半桥LLC谐振变换器谐振网络的直流电压增益M为：
根据上式可以得到单位变压器匝比下半桥LLC谐振变换器不同k值下的直流电压增益特征曲线族(其中n＝1，RL和Lm给定，k的变化会引起Q的变化)如图6所示。
由图6可知，在最小工作频率fmin处，满足固定增益要求的增益曲线(经过图中两虚线交点的曲线)可能为零条、多条甚至无穷多条，需要通过作图或者求解方程找到满足以上要求的曲线。可得k、Q的关系为：
根据确定的完全谐振频率fr、工作频率范围fmin～fr、输出功率Po、最优死区时间Td_opt等参数，从而确定励磁电感最优值Lm_opt。从FHA曲线，及上述有关Q-k关系，求出谐振电感Lr的值，从而确定谐振电容Cr的值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)获取LLC谐振变换器的性能参数；
(2)采用基波等效法将LLC谐振变换器的LLC谐振电路变换为等效电路；
(3)针对等效电路，以开关损耗Poff最小为目标，在完全谐振点处，定量推导死区时间Td与励磁电感Lm的关系，建立开关损耗Poff与死区时间Td的关系，确定最优死区时间Td_opt；
(4)根据谐振腔阻抗特性为感性的条件，确定励磁电感Lm的数学约束关系；
(5)根据直流电压增益M与归一化频率fn之间的关系，确定LLC谐振变换器的励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q之间的第一关系；
(6)结合励磁电感Lm的数学约束关系和第一关系，求取励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q；
(7)根据励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q，确定LLC谐振变换器的励磁电感最优值Lm_opt、谐振电感Lr和谐振电容Cr。
2.根据权利要求1所述的基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，LLC谐振变换器的性能参数包括开关管结电容Cj、开关管关断电流下降时间tf、输入电压Vin、变压器变比n、完全谐振频率fr、最小工作频率fmin、输出电压Vo和输出功率Po。
3.根据权利要求2所述的基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，死区时间Td、开关损耗Poff的物理模型为：
其中：Ts为开关周期，Tr为谐振周期，fs为工作频率。
4.根据权利要求3所述的基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，励磁电感Lm的数学约束关系包括：
其中：θ为谐振腔功率因数角，fr为完全谐振频率，Io为输出电流。
5.根据权利要求4所述的基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，LLC谐振变换器的励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k、品质因数Q之间的第一关系为：
其中：fn为归一化频率。
6.根据权利要求5所述的基于损耗最小的LLC谐振变换器参数优化设计方法，其特征在于：所述励磁电感Lm与谐振电感Lr比值k的取值范围为1～10之间，品质因数Q的取值范围为1以下。
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