CN108631597B - 一种llc谐振变换器的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LLC谐振变换器的优化设计方法，包括：根据LLC谐振变换器的设计指标确定变压器变比；根据变压器变比确定变压器原边匝数、副边匝数、绕组结构和磁芯形状，初步设计一个变压器；测量所述变压器的寄生电容；推导导通损耗与死区时间的关系式，得出导通损耗最小时的最优死区时间；根据最优死区时间确定最优励磁电感；选取可以满足增益条件的电感比和品质因数；由最优励磁电感、电感比和谐振频率得到谐振电感值和谐振电容值；改变变压器的气隙使其励磁电感等于最优励磁电感。该方法解决了传统LLC谐振变换器设计方法过于依赖经验且不够精确的问题，使得设计结果更加精确，可以推广到各个应用场合。

Description

一种LLC谐振变换器的优化设计方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种LLC谐振变换器的优化设计方法。

背景技术

LLC谐振变换器自其诞生以来，因其突出的优势受到越来越多的关注。LLC谐振变换器在整个工作范围内都可以实现原边开关管的软开通，即使开关频率很高，仍可实现较高的效率。开关频率的提高有利于减小变压器和滤波器的体积，并且谐振电感和励磁电感可以集成到变压器中，因此可以实现很高的功率密度。

正因为LLC谐振变换器具有上述优势，如何通过精确的设计发挥LLC谐振变换器的优势成为相关领域研究人员所关注的热点问题。LLC谐振变换器有两个自由度：品质因数和电感比(励磁电感与谐振电感的比值)，因此，设计的核心是选取合适的品质因数和电感比。目前的设计方法通常根据峰值增益要求和附加限制条件来完成设计。LLC谐振变换器的应用场合不同，附加限制条件便不同，通常限制开关频率、输出电压纹波、启动电流、谐振电容电压等参数。但是此种设计方法不具有普适性，很难应用到其他场合中。在工程设计中，设计者为避免复杂的计算，一般依靠实践经验，用查表法找到可以满足设计要求的设计方案。但是此种依靠经验的设计方法只能做到粗糙的近似化设计，无法根据设计者的不同要求进行精确设计。采用PCB绕组的平面变压器具有体积小、损耗小等优点，在LLC谐振变换器中的应用越来越广泛，但是其寄生电容较大，会对LLC谐振变换器的设计产生不可忽略的影响。然而，目前的设计方法中并没有将其考虑在内，设计的准确性有待提高。

因此，为更好地发挥LLC谐振变换器的优势，迫切需要一种精确且普遍适用的LLC谐振变换器设计方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种以提高效率为目标的LLC谐振变换器优化设计方法，将变压器的寄生电容考虑在内，解决了传统LLC谐振变换器设计方法过于依赖经验且不够精确的问题，可以推广到各个应用场合。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种LLC谐振变换器的优化设计方法，包括以下步骤：

A、根据LLC谐振变换器的设计指标确定变压器变比N；

B、根据变压器变比N确定变压器原边匝数、副边匝数、绕组结构和磁芯形状，初步设计一个变压器；

C、测量所述变压器的寄生电容C_w；

D、推导导通损耗P_on与死区时间T_d的关系式，得出导通损耗P_on最小时的最优死区时间T_do；

E、根据最优死区时间T_do确定最优励磁电感L_mo；

F、选取可以满足增益条件的电感比λ和品质因数Q，若始终找不到满足增益条件的电感比λ和品质因数Q，则返回步骤E，直到找到满足增益条件的电感比λ和品质因数Q为止；

G、由最优励磁电感L_mo、电感比λ和谐振频率f_r得到谐振电感L_r和谐振电容C_r；

H、改变变压器的气隙，使其励磁电感L_m等于最优励磁电感L_mo，即完成LLC谐振变换器的优化设计。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述设计指标包括输入电压最小值V_{in_min}、输入电压最大值V_{in_}max_{_}、输出电压Vo、谐振频率f_r和负载电阻R_L。

进一步，所述步骤A中，当为LLC半桥谐振变换器时，变压器变比N为：

当为LLC全桥谐振变换器时，变压器变比N为：

进一步，所述步骤D中，推导导通损耗P_on与死区时间T_d的关系式具体过程如下：

d1)软开通过程中，励磁电流需要对原边开关管的输出电容、副边开关管的输出电容和变压器的寄生电容充放电，得到下式：

其中，C_po为原边开关管的输出电容、C_so为副边开关管的输出电容，V_in为输入电压，n为副边开关管并联个数，V_o为输出电压；

d2)励磁电流峰值I_mp可以表示为：

其中，T_s为开关周期；

d3)根据以上式(3)和(4)，励磁电感L_m与死区时间T_d的关系为：

d4)原边电流瞬时值i_p的函数为：

其中，

I_{rms_p}为原边电流正弦部分的有效值，w₀为角频率、t为时间，为初相角；

励磁电流瞬时值i_m的函数为：

根据以下关系式

其中，R_L为负载电阻。

则得出原边电流有效值I_p与死区时间T_d可以的关系为：

副边电流有效值I_s与死区时间T_d可以的关系为：

d5)由式(8)、(9)得到导通损耗P_on为：

其中，I_p为原边电流有效值，R_{ds(on)_p}为原边开关管的导通电阻，I_s为副边电流有效值，R_{ds(on)_s}为副边开关管的导通电阻，n为副边开关管并联个数。

进一步，所述步骤E中，根据最优死区时间T_do确定励磁电感L_m，通过下式得到：

进一步，所述步骤F中，电感比λ和品质因数Q的关系为：

其中，f_r为谐振频率，R_e为基波等效到原边的负载电阻。

进一步，满足增益条件为：

M_max>M_H (15)

M_min>M_L (16)

其中，M_max为可达到的电压增益最大值，M_H为指标要求的电压增益最大值，M_min为可达到的电压增益最小值，M_L为指标要求的电压增益最小值。

若为LLC半桥谐振变换器，则指标要求的电压增益最大值M_H为：

则指标要求的电压增益最小值M_L为：

若为LLC全桥谐振变换器，则指标要求的电压增益最大值M_H为：

则指标要求的电压增益最小值M_L为：

进一步，所述步骤G中，由最优励磁电感L_mo、电感比λ和谐振频率f_r得到谐振电感L_r和谐振电容C_r为，

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.以效率和峰值增益为限制条件，在满足设计指标的基础上可以实现更高的效率；

2.以效率和峰值增益为限制条件，适用于各种应用场合，具有普适性；

3.将变压器的寄生电容考虑在内，使得设计结果更加精确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的LLC半桥谐振变换器示意图；

图2是本发明的LLC谐振变换器设计流程图；

图3是LLC半桥谐振变换器工作在谐振点时的波形。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明中的LLC谐振变换器设计方法既适用于LLC半桥谐振变换器又适用于LLC全桥谐振变换器，仅以图1中的LLC半桥谐振变换器为例进行说明。

在LLC谐振变换器的损耗中，导通损耗P_on占主要部分。因此，本发明的LLC谐振变换器优化设计方法中，以导通损耗P_on为LLC谐振变换器设计的评价指标，设计中应使其尽可能小。

图2是LLC谐振变换器设计流程图，主要由以下几个步骤组成：

A、根据LLC谐振变换器的设计指标(输入电压最小值V_{in_min}、输入电压最大值V_{in_max_}、输出电压Vo、谐振频率f_r和负载电阻R_L)确定变压器变比N；变压器变比N为

B、根据变压器变比N确定变压器原边匝数、副边匝数、绕组结构和磁芯形状，初步设计一个变压器。

C、测量上述变压器的寄生电容C_w。

D、推导导通损耗P_on与死区时间T_d的关系式，得出导通损耗P_on最小时的最优死区时间T_do；具体步骤如下：

在步骤D中，首先得出导通损耗P_on与死区时间T_d的关系。

1d)根据图3，软开通过程中，励磁电流需要对原边开关管的输出电容、副边开关管的输出电容和变压器的寄生电容充放电，得到下式励磁电流峰值I_mp与死区时间T_d的关系：

其中，C_po为原边开关管的输出电容、C_so为副边开关管的输出电容，V_in为输入电压，n为副边开关管并联个数，V_o为输出电压；

d2)根据图3，励磁电流峰值I_mp可以表示为：

其中，T_s为开关周期，L_m为励磁电感；

d3)根据以上(3)和(4)两式，把中间量I_mp约掉，励磁电感L_m与死区时间T_d可以的关系为：

d4)图3中t₁-t₂时间段谐振电流波形可以看成正弦波，t₂-t₃时间段谐振电流波形可以看成恒定不变的，因此谐振电流瞬时值i_p的函数为：

其中，I_{rms_p}为原边电流正弦部分的有效值，w₀为角频率、t为时间，为初相角。

图3中t₁-t₂时间段励磁电流波形可以看成三角波，t₂-t₃时间段励磁电流波形可以看成恒定不变的，因此励磁电流瞬时值i_m的函数为：

根据以下关系式

其中，R_L为负载电阻；

得出原边电流有效值I_p与死区时间T_d可以的关系为：

副边电流有效值I_s与死区时间T_d可以的关系为：

d5)由式(9)、(10)得到导通损耗P_on为：

其中，I_p为原边电流有效值，R_{ds(on)_p}为原边开关管的导通电阻，I_s为副边电流有效值，R_{ds(on)_s}为副边开关管的导通电阻，n为副边开关管并联个数。

因此，导通损耗P_on是死区时间T_d的函数，求导通损耗P_on的极小值点即可得最优的死区时间T_do。

E、根据最优死区时间T_do确定最优励磁电感L_mo；最优励磁电感L_mo可由最优的死区时间T_do推出：

F、选取可以满足增益条件的电感比λ和品质因数Q；

最优励磁电感L_mo确定之后，电感比λ与品质因数Q的关系为：

其中，f_r为谐振频率，R_e为基波等效到原边的负载电阻。

因此，将式(13)带入增益M的表达式，增益M与电感比λ和归一化后的开关频率f_n的关系为：

根据上式可知，每个电感比λ对应一条增益曲线，接下来只要选取合适的电感比λ使增益曲线满足以下增益条件即可：

M_max>M_H (16)

M_min>M_L (17)

其中，M_max为可达到的电压增益最大值，M_H为指标要求的电压增益最大值，M_min为可达到的电压增益最小值，M_L为指标要求的电压增益最小值。

指标要求的电压增益最大值M_H为：

则指标要求的电压增益最小值M_L为：

若始终找不到合适的电感比λ和品质因数Q使增益M满足增益条件，则返回步骤E，直到找到合适的电感比λ和品质因数Q为止。确定了电感比λ，则谐振电感Lr和谐振电容C_r为：

G、改变变压器的气隙,使变压器励磁电感L_m等于最优励磁电感L_mo。

本发明不限于LLC半桥谐振变换器，还可以是LLC全桥谐振变换器，当为LLC全桥谐振变换器时，变压器变比N为：

其优化设计方法与LLC半桥谐振变换器相同。

本发明具体实施方式中的LLC谐振变换器优化设计方法，解决了目前LLC谐振变换器设计中过于依赖经验且不精确的问题，将变压器寄生电容考虑在内，以最小的导通损耗为目标，即可满足设计指标，又能实现较高的效率。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据LLC谐振变换器的设计指标确定变压器变比N；

B、根据变压器变比N确定变压器原边匝数、副边匝数、绕组结构和磁芯形状，初步设计一个变压器；

C、测量所述变压器的寄生电容C_w；

D、推导导通损耗P_on与死区时间T_d的关系式，得出导通损耗P_on最小时的最优死区时间T_do；

E、根据最优死区时间T_do确定最优励磁电感L_mo；

F、选取可以满足增益条件的电感比λ和品质因数Q，若始终找不到满足增益条件的电感比λ和品质因数Q，则返回步骤E，直到找到满足增益条件的电感比λ和品质因数Q为止；

G、由最优励磁电感L_mo、电感比λ和谐振频率f_r得到谐振电感L_r和谐振电容C_r；

H、改变变压器的气隙，使其励磁电感L_m等于最优励磁电感L_mo，即完成LLC谐振变换器的优化设计；

所述步骤D中，推导导通损耗P_on与死区时间T_d的关系式具体过程如下：

d1)软开通过程中，励磁电流需要对原边开关管的输出电容、副边开关管的输出电容和变压器的寄生电容充放电，得到下式：

其中，C_po为原边开关管的输出电容、C_so为副边开关管的输出电容，V_in为输入电压，n为副边开关管并联个数，V_o为输出电压；

d2)励磁电流峰值I_mp可以表示为：

其中，T_s为开关周期；

d3)根据以上式(3)和(4)，励磁电感L_m与死区时间T_d的关系为：

d4)原边电流瞬时值i_p的函数为：

其中，I_{rms_p}为原边电流正弦部分的有效值，w₀为角频率、t为时间，为初相角；

励磁电流瞬时值i_m的函数为：

根据以下关系式

其中，R_L为负载电阻；

则得出原边电流有效值I_p与死区时间T_d可以的关系为：

副边电流有效值I_s与死区时间T_d可以的关系为：

d5)由式(9)、(10)得到导通损耗P_on为：

其中，I_p为原边电流有效值，R_{ds(on)_p}为原边开关管的导通电阻，I_s为副边电流有效值，R_{ds(on)_s}为副边开关管的导通电阻，n为副边开关管并联个数。

2.根据权利要根据权利要求1所述的一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，所述设计指标包括输入电压最小值V_{in_min}、输入电压最大值V_{in_max_}、输出电压V_o、谐振频率f_r和负载电阻R_L。

3.根据权利要求2所述的一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，所述步骤A中，当为LLC半桥谐振变换器时，变压器变比N为：

当为LLC全桥谐振变换器时，变压器变比N为：

4.根据权利要求1所述的一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，所述步骤E中，根据最优死区时间T_do确定最优励磁电感L_mo，通过下式得到：

5.根据权利要求1所述的一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，所述步骤F中，电感比λ和品质因数Q的关系为：

其中，R_e为基波等效到原边的负载电阻；

其中，R_L为负载电阻。

6.根据权利要求5所述的一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，满足增益条件为：

M_max>M_H (15)

M_min>M_L (16)

其中，M_max为可达到的电压增益最大值，M_H为指标要求的电压增益最大值，M_min为可达到的电压增益最小值，M_L为指标要求的电压增益最小值；

若为LLC半桥谐振变换器，则指标要求的电压增益最大值M_H为：

指标要求的电压增益最小值M_L为：

若为LLC全桥谐振变换器，则指标要求的电压增益最大值M_H为：

指标要求的电压增益最小值M_L为：

其中，V_o为输出电压，V_{in_max}为输入电压最大值，V_{in_min}为输入电压最小值。

7.根据权利要求1所述的一种LLC谐振变换器的优化设计方法，其特征在于，所述步骤G中，由最优励磁电感L_mo、电感比λ和谐振频率f_r得到谐振电感L_r和谐振电容C_r为：