CN108539989A - 一种llc谐振电路中器件参数的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，包括如下步骤：根据LLC谐振电路的模型得到其数学模型；根据LLC谐振电路输入端的电压等级和其中隔离变压器的变比计算出输出端输出电压范围，并确定出LLC谐振电路的最高电压增益和最低电压增益；k值在设定范围内取值，根据选定的谐振频率、品质因素和k值，计算出相应的谐振电感、励磁电感和谐振电容；判断各k值对应谐振电容所承受的电压值是否大于其最大耐压值；如果大于，则舍弃该k值，否则保留该k值；本发明所提供的技术方案，选择出谐振电容所承受电压值不会大于其最大耐压值的方案，能够解决现有技术中在选择LLC谐振电路中的器件时，没有考虑到谐振电容耐压能力的问题。
Description
技术领域
本发明属于LLC谐振电路设计技术领域，具体涉及一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法。
背景技术
近年来，随着电力电子装置的增多和功率等级的不断加大，国内外相继制订了一系列限制用电设备谐波污染的标准，用电设备输入端普遍采用功率因数校正技术来消除谐波污染。三相功率因数矫正变换器被应用于中大功率电源场合，对谐波污染的消除起到了非常重要的作用。然而三相功率因素矫正变换器的输出电压一般都是高压，如此便增加了变换器中开关管的电压应力，普通的MOSFET承受不了高压，而高压MOSFET的成本高且性能差。
半桥三电平LLC谐振电路的一个非常显著的特点：每个开关管上的电压应力只有直流母线或输入电压的一半，能够解决高电压大功率的场合不易选择合适器件的问题。通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压降到0，关断前电流先降到0，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，大大减小开关损耗，该技术被称为软开关。
半桥三电平LLC谐振电路中，实现软开关实现的关键是选取合理的谐振电感、谐振电容、励磁电感以形成谐振回路，使变换器中的开关管工作在零电压开通状态。但是现有技术中在选取半桥三电平LLC谐振电路中的器件时，没有考虑到谐振电容的耐压能力，一旦谐振电容所承受的电压大于其耐压能力，将会对谐振电容造成损害，使整个半桥三电平LLC谐振电路不能正常工作。
发明内容
本发明提供一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，用于解决现有技术中在选择LLC谐振电路中的器件时，没有考虑到谐振电容耐压能力的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，包括如下步骤：
(1)根据LLC谐振电路的模型得到其数学模型；
(2)根据LLC谐振电路输入端的电压等级和其中隔离变压器的变比计算出输出端输出电压范围，并确定出LLC谐振电路的最高电压增益和最低电压增益；
(3)k值在设定范围内取值，根据选定的谐振频率、品质因素和k值，计算出相应的谐振电感、励磁电感和谐振电容；判断各k值对应谐振电容所承受的电压值是否大于其最大耐压值；如果大于，则舍弃该k值，否则保留该k值；
所述品质因素
k＝Lm/Lr
其中Cr为谐振电容，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Rac为隔离变压器的等效负载阻抗。
本发明所提供的技术方案，根据品质因素、k值和谐振频率计算出相应的谐振电感、励磁电感和谐振电容，选择出谐振电容所承受电压值不会大于其最大耐压值的方案，从而解决现有技术中在选择LLC谐振电路中的器件时，没有考虑到谐振电容耐压能力的问题。
作为对K值的进一步限定，所述K的取值范围为0.25至6。
附图说明
图1为实施例中半桥三电平LLC谐振电路中器件参数确定方法的流程图；
图2为实施例中半桥三电平LLC谐振电路的结构原理图；
图3为实施例中半桥三电平LLC谐振电路中隔离变压器的等效电路图。
具体实施方式
本发明提供一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，用于解决现有技术中在选择LLC谐振电路中的器件时，没有考虑到谐振电容耐压能力的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，包括如下步骤：
(1)根据LLC谐振电路的模型得到其数学模型；
(2)根据LLC谐振电路输入端的电压等级和其中隔离变压器的变比计算出输出端输出电压范围，并确定出LLC谐振电路的最高电压增益和最低电压增益；
(3)k值在设定范围内取值，根据选定的谐振频率、品质因素和k值，计算出相应的谐振电感、励磁电感和谐振电容；判断各k值对应谐振电容所承受的电压值是否大于其最大耐压值；如果大于，则舍弃该k值，否则保留该k值；
品质因素
k＝Lm/Lr
其中Cr为谐振电容，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Rac为隔离变压器的等效负载阻抗。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例提供一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，用于对LLC谐振电路中谐振电容、谐振电感和励磁电感的参数进行确定，实现LLC谐振电路中开关管的软开关。
本实施例所提供的LLC谐振电路中器件参数确定方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：
(1)根据LLC谐振电路得到其数学模型；
本实施例中的LLC谐振电路为半桥三电平LLC谐振电路，其结构如图2所示，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，第一开关管S1的阴极连接第二开关管S2的阳极，第二开关管S2的阴极连接第三开关管S3的阳极，第三开关管S3的阴极连接第四开关管S4的阳极，第一开关管S1的阳极和第四开关管S4的阴极分别为LLC谐振电路输入端的正极和负极；
第一开关管S1并联有第一续流二极管D1和第一电容器C1，第二开关管S2并联有第二续流二极管D2和第二电容器C2，第三开关管S3并联有第三续流二极管D3和第三电容器C3，第四开关管S4并联有第四续流二极管D4和第四电容器C4。
电容器Cd1的一端连接第一开关管S1的阳极，另一端连接第二开关管S2与第三开关管S3的公共端；电容器Cd2的一端连接第四开关管S4的阴极，另一端连接第二开关管S2与第三开关管S3的公共端。
第五二极管D5与第六二极管D6串联设置成箝位电路，电容器Coss与箝位电路并联，其中第五二极管D5的阴极连接第一开关管S1与第二开关管S2的公共端，阳极连接第六二极管D6的阴极，第六二极管D6的阳极连接第三开关管S3与第四开关管S4的公共端。
励磁电感Lm与隔离变压器T1的原边并联设置，第二开关管S2与第三开关管S3的公共端，即半桥逆变器的中点A连接隔离变压器T1原边的其中一端；第五二极管D5与第六二极管D6的公共端，即箝位电路的中点C连接隔离变压器T1原边的另一端。电容器Cd1和电容器Cd2的公共端，即B点与第五二极管D5和第六二极管D6的公共端连接，谐振电感Lr设置在第三开关管S3与第四开关管S4公共端连接隔离变压器T1原边的线路上，谐振电容Cr设置在第五二极管D5与第六二极管D6公共端连接隔离变压器T1原边的线路上。
二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3和二极管VD4组成全桥整流电路，该整流电路的交流侧连接隔离变压器T1的副边，直流侧为LLC谐振电路输出端，在该整流电路直流侧的正极与负极之间设置有稳压滤波电容C4和匹配电阻RL。
设输入端DC+与DC-之间的电压为Vin，A点和B点之间的电压值为VAB，设角频率为ωs，本实施例中ωs为50Hz的角频率；根据三电平半桥逆变电路的工作原理，可得
因此，可得VAB的基波分量为
有效值为
(2)根据输入端的电压等级和隔离变压器T1的变比计算出输出电压的范围，进而确定LLC谐振电路的最高电压增益和最低电压增益；
在计算隔离变压器T1的理论变比时，要能够满足在隔离变压器T1原边的输入电压最大时，其副边输出的电压也最大，由此可得隔离变压器T1的变比为：
根据直流输入输出电压变比的公式，可以算出LLC谐振电路的最高电压增益和最低输入电压的增益分别为：
其中Vinmax为DC+与DC-之间电压Vin的最大值，Vinmin为DC+与DC-之间电压Vin的最小值，Vomax为整流电路直流侧电压Vo的最大值，Vomin为整流电路直流侧电压Vo的最小值，VD为整流电路中整流二极管的导通压降；
(3)根据隔离变压器T1在额定功率下的输出电压和输出电流，将隔离变压器T1折算为阻抗相同的等效负载；设隔离变压器T1所等效的负载阻抗为Rac1，其等效模型如图3所示；
设隔离变压器T1副边的电压为Vac，电流为Iac，即整流电路输入端的电压为Vac，电流为Iac，整流电路直流侧的电压为Vo，电流为Io；因此Iac的平均值是输出电流Io，可得到：
对于电压Vac的基波分量为：
因此，可知隔离变压器T1副边的等效阻抗为：
考虑变压器变比m，则折合到隔离变压器T1原边的等效负载阻抗为：
LLC谐振电路的变比H(s)定义为隔离变压器T1原边所等效负载的电压Vp与变换器输出电压VAB比值，可得：
上式中的s为自变量；
(4)设品质因素k在设定范围内取值，根据选定的谐振频率fr、Q值和k值，计算出此时的谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr；判断k在设定范围内取值时，各k值所对应谐振电容Cr所承受的电压值是否大于其最大耐压值；如果大于，则将对应的k值舍弃；如果不大于，则将对应的k值保留；所保留的k值为合适的k值，各k值所对应的谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr均可满足设计的需求。
在计算Q、fmin、fmax、Lr、Lm和Cr时，Q的值取最大值的95％，以保证一定的裕量，因此
Lm＝k*Lr
fmin、fmax分别为谐振频率的最大值和最小值，fr为设定的频率值；由计算Cr的公式可以看出，Q值越大，谐振电容Cr越小；在设计Q值的时候，还要考虑谐振电容的耐压。谐振电容Cr所以能够承受的最大电压值为：
本实施例中，k的取值范围为2.5到6。
Claims (2)
1.一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据LLC谐振电路的模型得到其数学模型；
(2)根据LLC谐振电路输入端的电压等级和其中隔离变压器的变比计算出输出端输出电压范围，并确定出LLC谐振电路的最高电压增益和最低电压增益；
(3)k值在设定范围内取值，根据选定的谐振频率、品质因素和k值，计算出相应的谐振电感、励磁电感和谐振电容；判断各k值对应谐振电容所承受的电压值是否大于其最大耐压值；如果大于，则舍弃该k值，否则保留该k值；
所述品质因素
k＝Lm/Lr
其中Cr为谐振电容，Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，Rac为隔离变压器的等效负载阻抗。
2.根据权利要求1所述的一种LLC谐振电路中器件参数的确定方法，其特征在于，所述设定范围为2.5至6。
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