CN111756251A - 一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法 - Google Patents

一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法 Download PDF

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Abstract

一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，所述方法以宽范围高压输入、低压大电流输出的半桥LLC谐振电路实际应用为背景，首先对其拓扑结构及数学模型进行分析，然后通过直流增益公式分析了电子变压器的直流增益特性。以此为基础，分析和研究了谐振参数对电子变压器各项性能的影响，并给出谐振参数与各个性能指标之间的函数关系式，从而满足电子变压器能够在宽输入、全负载范围内实现稳压输出，得到较高功率密度的谐振型电子变压器。最后搭建了实验样机，并测试了电子变压器的调压性能和不同负载下的效率。实验结果表明，LLC型电子变压器能够在宽输入、全负载范围内实现稳压输出及高功率密度需求。

Description

一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法
技术领域
本发明涉及一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，属电力电子技术领域。
背景技术
随着第三代半导体材料被广泛应用于电力电子领域，开关电源逐渐向小型化、高频化和高功率密度的方向发展，其中高频电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)由于具有体积小和可控性高的特点而成为当下的研究热点。电子变压器的核心是高频DC-DC变换器，开关频率越高，功率开关管的开关损耗越显著。
为了降低开关损耗，通常利用谐振电路使开关器件运行在软开关状态。而电子变压器的软开关性能与谐振参数和控制策略的选择有直接关系。目前相关文献对电力电子变压器的参数设计与优化、高功率密度及宽输出电压范围等方面做了相关研究，但对于宽输入电压范围的参数设计及输出效率等整体分析较少，而宽范围输入电压以及效益需求却是工程实际需要解决的问题。
目前LLC谐振变换器主要有两种数学建模方法：一种是模态分析法，一种是基波分析法(FHA)。
模态分析法是根据电荷守恒和能量守恒定律列出时域高阶微分方程并求解。此类模态分析方法能精确地设计谐振参数，但是由于谐振网络的运行过程十分复杂，模态分析法就显得繁琐，不适合在工程领域推广。
发明内容
本发明的目的是，为了解决电子变压器在宽输入、全负载范围内实现稳压输出，获得较高功率密度的谐振型电子变压器，提出一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法。
实现本发明的技术方案如下，一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，步骤如下：
(1)采用基波分析法来对LLC谐振变换器进行建模，得到变换器直流电压增益G的表达式为：
Figure BDA0002527974220000021
式中，谐振频率
Figure BDA0002527974220000022
特性阻抗
Figure BDA0002527974220000023
品质因素
Figure BDA0002527974220000024
电感比
Figure BDA0002527974220000025
归一化开关频率
Figure BDA0002527974220000026
fs为开关频率；Lr为谐振电感；Cr为谐振电容；fr为谐振频率；n为变压器变比；P0为负载功率；V0为负载电压；Lm为励磁电感。
(2)定义LLC型电子变压器的归一化直流电压增益Gn：
Gn＝2n·G (2)
式中，G为变换器的直流增益，将式(1)代入式(2)，得：
Figure BDA0002527974220000027
(3)谐振参数对电子变压器的性能的影响及优化需求，包括谐振参数对电子变压器直流增益的影响、谐振参数对电子变压器输入阻抗的影响、谐振参数对变换器效率的影响。
所述谐振参数对电子变压器直流增益的影响：
为了直接观察谐振参数对变换器直流增益的影响，将公式(3)中的K和Q改为用Lm、Lr和Cr表示；在设计谐振参数时，按电路工作在负载独立点处fs＝fr，满载状态Po＝Pon时进行设计，则Lr和Cr满足下式：
Figure BDA0002527974220000031
利用公式(4)，将归一化直流增益Gn表达式中的谐振参数转化为Lm和Lr，即：
Figure BDA0002527974220000032
式中，Req为；
根据公式(5)，利用MATLAB绘制出不同励磁电感Lm下的直流增益曲线和不同谐振电感Lr下的直流增益曲线，考虑到电路的调节能力，在设计谐振参数时应当尽量减小励磁电感Lm的值。
所述谐振参数对电子变压器输入阻抗的影响：
采用基波分析法来对LLC谐振变换器进行建模，可得谐振网络的归一化输入阻抗Zin为：
实部：
Figure BDA0002527974220000033
虚部：
Figure BDA0002527974220000034
LLC变换器实现ZVS的首要条件是确保谐振网络的输入阻抗始终为感性，即输入阻抗角θ应满足下式：
Figure BDA0002527974220000035
绘制输入阻抗角θ与归一化频率fn的关系曲线可知，Lm和Lr越小，能够实现ZVS的频带范围越宽，这对电路运行有利。
所述谐振参数对变换器效率的影响：
谐振参数对变换器的效率影响，其核心是谐振参数对电路损耗的影响；变换器的损耗包括MOS管的通态损耗、高频变压器的励磁损耗、整流二极管的损耗；这些损耗分别与谐振电流、励磁电流、副边整流二极管的电流大小有直接关系；在额定频率(fs＝fr)下，分别计算上述三个关键点电流：谐振电流、励磁电流、副边整流二极管的电流有效值；
(1)计算励磁电流有效值
变换器的励磁电流是一个三角波，由下式表示：
Figure BDA0002527974220000041
励磁电流的峰值为：
Figure BDA0002527974220000042
励磁电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000043
(2)计算谐振电流有效值和变压器副边电流有效值
谐振槽电流ir的表达式：
Figure BDA0002527974220000044
在每个开关周期的起点都有ir(0)＝im_peak，即：
Figure BDA0002527974220000045
变压器原边电流i1为谐振槽电流ir与励磁电流im之差，即i1(t)＝ir(t)-im(t)；
由电荷守恒定律，
Figure BDA0002527974220000051
时间内有下面等式成立：
Figure BDA0002527974220000052
联立等式(10)和(11)解得，谐振电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000053
其中，RL为负载电阻；
则高频变压器原边电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000054
变压器副边电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000055
由公式(11)、(14)和(16)可见，关键点电流只与励磁电感有关，与谐振电感无直接关系；绘制谐振电流、励磁电流、副边电流以及三者电流之和Isum随励磁电感Lm的变化曲线后，可得出结论：在一定范围内增大励磁电感，明显的降低电路中的电流值，从而减小电路损耗，提高系统的能量传输效率。
根据本发明一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法设计的一种宽输入电压范围的电子变压器，由方波发生器、LLC谐振网络、高频变压器、整流网络、输出滤波电路和负载串联组成。
所述方波发生器由上下两个MOS管构成；所述LLC谐振网络由励磁电感、谐振电感和谐振电容组成，励磁电感并联在变压器主绕组两端，励磁电感的一端通过谐振电感连接方波发生器输出端的正极，励磁电感的另一端通过谐振电容连接方波发生器输出端的负极；高频变压器的副绕组为中心抽头式的双绕组结构，连接整流网络的输入端；整流网络由整流二极管VD1和VD2构成全波整流电路，整流网络的输出端并联连接由滤波电容构成的输出滤波电路；负载与滤波电容并联。
所述谐振网络允许正弦电流流过，会滤除其中的高次谐波电流；输入方波所含的直流分量会被谐振电容Cr所隔离，使变压器上不含直流分量，从而能有效防止过流避免变压器的铁芯饱和；所述谐振网络的谐振电容Cr有两个作用：一是谐振作用；二是隔直作用。
本发明的有益效果是，本发明分析和研究了谐振参数对电子变压器各项性能的影响，并给出谐振参数与各个性能指标之间的函数关系式，从而满足电子变压器能够在宽输入、全负载范围内实现稳压输出，得到较高功率密度的谐振型电子变压器。
附图说明
图1为LLC变换器的拓扑结构；
图2为谐振变换器的归一化直流电压增益曲线；
图3为直流增益曲线；
图4为tanθ与归一化频率fn的关系；
图5为额定频率下(fs＝fr)谐振电流和励磁电流的波形；
图6为变换器关键点电流有效值与Lm的关系曲线。
具体实施方式
本实施例LLC型电子变压器的主电路结构如图1所示。它包括以下部分组成：方波发生器、谐振网络、高频隔离变压器、整流网络、输出滤波电路和负载。
方波发生器：小功率级的能量传输通常采用半桥式开关电路，由上下两个MOS管构成(与之并联的二极管和电容分别为MOS管的体二极管和结电容)。半桥式开关电路通过接近50％的占空比交替驱动上下两个MOS管，来产生幅值为0到Vin的方波电压。在实际电路中，每个开关管需要设置一个死区时间来避免上下两个MOS管出现直通，因此导通时间在一个开关周期内略小于50％。
谐振网络：由谐振电容Cr、谐振电感Lr和并联谐振电感(一般用变压器的励磁电感Lm替代)构成。该电流环路通常又被称作谐振腔。方波电压施加到谐振腔上，将在谐振腔内产生谐振电流。谐振网络会滤除高次谐波电流，理论上只有正弦电流能流过该谐振网络。其中，输入方波所含的直流分量会被谐振电容Cr所隔离，使变压器上不含直流分量，从而能有效防止过流避免变压器的铁芯饱和。所以谐振电容Cr有两个作用：一是谐振作用；二是隔直作用。
高频变压器：副边采用中心抽头式以便与整流网络相连。
整流网络：由整流二极管VD1和VD2构成全波整流，以便在低压大电流输出电路中降低整流网络的功率损耗。整流后的输出信号中包含直流分量、基波和各次谐波分量。
输出滤波电路：由并联电容Co构成，可有效滤除整流信号中的基波和高次谐波，使最终输出为直流电压。
为了使电子变压器在宽输入电压场合仍能保持输出电压的稳定，需要对变换器的谐振参数进行优化设计。
本实施例采用基波分析法来对LLC谐振变换器进行建模，由此可得变换器直流电压增益的具体表达式为：
Figure BDA0002527974220000081
其中，谐振频率
Figure BDA0002527974220000082
特性阻抗
Figure BDA0002527974220000083
品质因素
Figure BDA0002527974220000084
电感比
Figure BDA0002527974220000085
归一化开关频率
Figure BDA0002527974220000086
fs为开关频率。
定义归一化直流电压增益Gn为：
Gn＝2n·G (2)
其中G为变换器的直流增益。将式(1)代入式(2)可得：
Figure BDA0002527974220000087
根据式(3)，利用MATLAB软件绘制出变换器的归一化直流电压增益曲线，如图2所示，纵坐标为归一化直流增益Gn，横坐标为归一化开关频率fn。
图2中的虚曲线是由峰值增益点连接而成的曲线，它是谐振腔输入阻抗感性和容性的分界线，在虚曲线的左侧输入阻抗呈容性，在虚曲线的右侧输入阻抗呈感性。输入阻抗呈感性时，谐振电流ir滞后于谐振腔输入电压VAB，此时MOS管可以实现零电压开通(ZVS)；输入阻抗呈容性时，ir超前于VAB，在开关切换过程中MOS管的体二极管反向恢复将引起严重的噪声。
由图2可知进入容性区间后，电压增益斜率出现反向，输出电压会失控。因此谐振变换器通常工作在输入阻抗呈感性的区域，在设计电路时应注意最小工作频率要适当高于峰值增益频率。
由图2可见，在输入阻抗的感性区域(虚曲线的右侧)，变换器的归一化直流增益Gn随频率fn的增大而减小。当fn＝1，即fs＝fr时，无论Q取何值，归一化直流电压增益始终为1。由于
Figure BDA0002527974220000091
品质因素Q与负载大小有关，说明在该点处变换器的直流增益不受负载变化影响。这是因为当开关频率等于谐振频率时，Lr和Cr的电压之和为零，相当于输入电压源两端直接接在负载两端。理想状态下，输出电压Vo只与输入电压Vin和变压器匝比n有关，和负载大小无关，因此该工作点又被称为负载独立点，此时变换器输出特性最佳，所以LLC谐振变换器通常运行在负载独立点附近。
由图2还可以看出，当品质因素Q值下降(即负载加重)时，峰值增益频率逐渐向并联谐振频率fm靠近，峰值增益随之增大。由于谐振变换器的工作范围受限于峰值增益(运行时变换器增益可以达到的上限值)，因此对谐振参数的优化设计而言，满载条件(Q值取到最大值1)为最差的情况。
谐振参数对电子变压器直流增益的影响：
为了直接观察谐振参数对变换器直流增益的影响，将公式(3)中的K和Q改为用Lm、Lr和Cr表示。在设计谐振参数时，按电路工作在负载独立点处(fs＝fr)满载状态(Po＝Pon)进行设计，所以Lr和Cr满足下式：
Figure BDA0002527974220000092
利用公式(4)，可以将归一化直流增益Gn表达式中的谐振参数转化为Lm和Lr，即公式(5)：
Figure BDA0002527974220000093
根据公式(5)，利用MATLAB绘制出不同励磁电感Lm下的直流增益曲线和不同Lr下的直流增益曲线，分别如图3(a)和(b)所示。
图3(a)中，固定n和Lr，随着Lm的增大，直流增益的峰值降低，如果Lm取得过大，满载时电路的输出电压无法维持在额定值。Lm增大时曲线斜率也会变的越来越平坦，为了维持输出电压的恒定就需要在更大范围内调节开关频率，说明电路的调频调压能力变弱。考虑到电路的调节能力，在设计谐振参数时应当尽量减小Lm的值。
图3(b)中，固定n和Lm，随着Lr增大，直流增益的峰值降低，但曲线斜率变陡峭，说明电路的调节能力有所提高。
谐振参数对电子变压器输入阻抗的影响：
采用基波分析法来对LLC谐振变换器进行建模，可得谐振网络的归一化输入阻抗Zin为：
实部：
Figure BDA0002527974220000101
虚部：
Figure BDA0002527974220000102
LLC变换器实现ZVS的首要条件是确保谐振网络的输入阻抗始终为感性，即输入阻抗角θ应满足式(8)。
Figure BDA0002527974220000103
图4为输入阻抗角θ与归一化频率fn的关系曲线。虚曲线以上表示输入阻抗呈感性。可见Lm和Lr越小，能够实现ZVS的频带范围越宽，这对电路运行是有利的。
谐振参数对变换器效率的影响：
研究谐振参数对变换器的效率影响，其核心是研究谐振参数对电路损耗的影响。变换器的损耗主要包括MOS管的通态损耗、高频变压器的励磁损耗、整流二极管的损耗。这些损耗分别与谐振电流、励磁电流、副边整流二极管的电流大小有直接关系。下面给出额定频率(fs＝fr)下上述3个关键点电流有效值的推导过程。
变换器的励磁电流是一个三角波：
Figure BDA0002527974220000111
励磁电流的峰值为：
Figure BDA0002527974220000112
励磁电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000113
谐振槽电流ir的表达式：
Figure BDA0002527974220000114
由图5可见，在每个开关周期的起点都有ir(0)＝im_peak，即：
Figure BDA0002527974220000115
变压器原边电流i1为谐振槽电流ir与励磁电流im之差，即i1(t)＝ir(t)-im(t)，由电荷守恒定律，
Figure BDA0002527974220000116
时间内有等式(13)成立：
Figure BDA0002527974220000117
联立等式(10)和(11)可以解得，谐振电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000118
则高频变压器原边电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000121
变压器副边电流的有效值为：
Figure BDA0002527974220000122
由公式(11)、(14)和(16)可见，关键点电流只与励磁电感有关，与谐振电感无直接关系。因此绘制谐振电流、励磁电流、副边电流以及三者电流之和Isum随励磁电感Lm的变化曲线，如图6所示。可以得出结论：在一定范围内增大励磁电感，可以明显的降低电路中的电流值，从而减小电路损耗，提高系统的能量传输效率。

Claims (6)

1.一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)采用基波分析法来对LLC谐振变换器进行建模，得到变换器直流电压增益G的表达式为：
Figure FDA0002527974210000011
式中，谐振频率
Figure FDA0002527974210000012
特性阻抗
Figure FDA0002527974210000013
品质因素
Figure FDA0002527974210000014
电感比
Figure FDA0002527974210000015
归一化开关频率
Figure FDA0002527974210000016
fs为开关频率；Lr为谐振电感；Cr为谐振电容；fr为谐振频率；n为变压器变比；P0为负载上的直流功率；V0为负载上的直流电压；Lm为励磁电感；
(2)定义LLC型电子变压器的归一化直流电压增益Gn：
Gn＝2n·G (2)
式中，G为变换器的直流增益，将式(1)代入式(2)，得：
Figure FDA0002527974210000017
(3)谐振参数对电子变压器的性能的影响及优化需求，包括谐振参数对电子变压器直流增益的影响、谐振参数对电子变压器输入阻抗的影响、谐振参数对变换器效率的影响。
2.根据权利要求1所述的一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，其特征在于，所述谐振参数对电子变压器直流增益的影响：
为了直接观察谐振参数对变换器直流增益的影响，将公式(3)中的K和Q改为用Lm、Lr和Cr表示；在设计谐振参数时，按电路工作在负载独立点处fs＝fr，满载状态Po＝Pon时进行设计，则Lr和Cr满足下式：
Figure FDA0002527974210000021
利用公式(4)，将归一化直流增益Gn表达式中的谐振参数转化为Lm和Lr，即：
Figure FDA0002527974210000022
式中，Req为等效电阻；
根据公式(5)，利用MATLAB绘制出不同励磁电感Lm下的直流增益曲线和不同谐振电感Lr下的直流增益曲线，考虑到电路的调节能力，在设计谐振参数时应当尽量减小励磁电感Lm的值。
3.根据权利要求1所述的一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，其特征在于，所述谐振参数对电子变压器输入阻抗的影响：
采用基波分析法来对LLC谐振变换器进行建模，可得谐振网络的归一化输入阻抗Zin为：
实部：
Figure FDA0002527974210000023
虚部：
Figure FDA0002527974210000024
LLC变换器实现ZVS的首要条件是确保谐振网络的输入阻抗始终为感性，即输入阻抗角θ应满足下式：
Figure FDA0002527974210000025
绘制输入阻抗角θ与归一化频率fn的关系曲线可知，Lm和Lr越小，能够实现ZVS的频带范围越宽，这对电路运行有利。
4.根据权利要求1所述的一种宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法，其特征在于，所述谐振参数对变换器效率的影响：
谐振参数对变换器的效率影响，其核心是谐振参数对电路损耗的影响；变换器的损耗包括MOS管的通态损耗、高频变压器的励磁损耗、整流二极管的损耗；这些损耗分别与谐振电流、励磁电流、副边整流二极管的电流大小有直接关系；在额定频率(fs＝fr)下，分别计算上述三个关键点电流：谐振电流、励磁电流、变压器副边电流有效值；
(1)计算励磁电流有效值
变换器的励磁电流是一个三角波，由下式表示：
Figure FDA0002527974210000031
励磁电流的峰值为：
Figure FDA0002527974210000032
励磁电流的有效值为：
Figure FDA0002527974210000033
(2)计算谐振电流有效值和副边整流二极管的电流有效值
谐振槽电流ir的表达式：
Figure FDA0002527974210000034
在每个开关周期的起点都有ir(0)＝im_peak，即：
Figure FDA0002527974210000035
变压器原边电流i1为谐振槽电流ir与励磁电流im之差，即i1(t)＝ir(t)-im(t)；
由电荷守恒定律，
Figure FDA0002527974210000041
时间内有下面等式成立：
Figure FDA0002527974210000042
式中，TS为开关周期；V0为负载上的直流电压；P0为负载上的直流功率；
联立等式(10)和(11)解得，谐振电流的有效值为：
Figure FDA0002527974210000043
其中，RL为负载电阻；
则高频变压器原边电流的有效值为：
Figure FDA0002527974210000044
变压器副边电流的有效值为：
Figure FDA0002527974210000045
由公式(11)、(14)和(16)可见，关键点电流只与励磁电感有关，与谐振电感无直接关系；绘制谐振电流、励磁电流、副边电流以及三者电流之和Isum随励磁电感Lm的变化曲线后，可得出结论：在一定范围内增大励磁电感，明显的降低电路中的电流值，从而减小电路损耗，提高系统的能量传输效率。
5.根据权利要求1～4所述宽输入电压范围的电子变压器参数设计方法设计的一种宽输入电压范围的电子变压器，其特征在于，所述电子变压器由方波发生器、LLC谐振网络、高频变压器、整流网络、输出滤波电路和负载串联组成；所述方波发生器由上下两个MOS管构成；所述LLC谐振网络由励磁电感、谐振电感和谐振电容组成，励磁电感并联在变压器主绕组两端，励磁电感的一端通过谐振电感连接方波发生器输出端的正极，励磁电感的另一端通过谐振电容连接方波发生器输出端的负极；高频变压器的副绕组为中心抽头式的双绕组结构，连接整流网络的输入端；整流网络由整流二极管VD1和VD2构成全波整流电路，整流网络的输出端并联连接由滤波电容构成的输出滤波电路；负载与滤波电容并联。
6.根据权利要求5所述的一种宽输入电压范围的电子变压器，其特征在于，所述谐振网络允许正弦电流流过，会滤除其中的高次谐波电流；输入方波所含的直流分量会被谐振电容Cr所隔离，使变压器上不含直流分量，从而能有效防止过流避免变压器的铁芯饱和；所述谐振网络的谐振电容Cr有两个作用：一是谐振作用；二是隔直作用。
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