CN112383225A - 应用于级联变换器的参数设计方法及级联变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于级联型直流变换器参数设计技术领域，涉及含有谐振拓扑的级联型直流变换器参数设计方法，尤其是应用于级联变换器的参数设计方法及应用该方法的级联变换器。本发明中，采用建立限制条件并参数轮寻最终以效率为目标函数进行检索，并结合级联变换器拓扑的稳定性判据建立新的限制条件，最终获得最优参数组。应用所述设计方法对于以LLC+Buck为例的级联型变换器进行参数设计，采用该设计方法后，LLC和Buck拓扑的输出电压的输出稳定性高，变换器的总体开关损耗被降至最低且可明显实现软开关的功能，具有良好的设计效果。

Description

应用于级联变换器的参数设计方法及级联变换器
技术领域
本发明属于级联型直流变换器参数设计技术领域，涉及含有谐振拓扑的级联型直流变换器参数设计方法，尤其是应用于级联变换器的参数设计方法及级联变换器。
背景技术
谐振软开关直流变换器因其具有结构简单、较高变换效率、良好的EMI特性和较宽的输入输出电压调节范围等优势，在直流配用电系统、LED驱动、分布式发电等领域具有广泛的应用。
目前，对于如LLC、CLLC等谐振软开关直流拓扑单体而言，虽然已经具有较为成熟的应用技术和参数设计方法，但对于含有谐振软开关拓扑的级联型变换器，由于结构更加复杂，采用传统的参数设计方法可能会导致整体稳定性上存在一些问题。
因此，许多学者从数学模型和稳定性分析的角度出发，研究级联型拓扑变换器稳定性条件，提出了Middlebrook判据。但是，目前在整体的参数设计的过程中，稳定性的判据仍然未被考虑，导致级联型拓扑所获得的参数虽然前级后级拓扑都可以各自满足输出稳定，但是整体系统不能满足稳定性需求。
因此，为了实现对含有谐振拓扑的级联型变换器稳定可靠运行进行参数优化设计，本发明提出了一种具有设计方法简单直观、设计效果良好的参数设计方法，该方法非常适用于含有谐振拓扑的级联型变换器。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的在于设计一种适用于含有谐振拓扑的级联型变换器，且方法简单直观、设计效果良好的参数设计方法。
步骤1：根据应用需求的额定输入电压、额定输出电压以及体积需求，确定谐振变换器中变压器的匝比和额定工作频率；
步骤2：基于所选择的开关器件参数搭建电力电子仿真模型；并基于额定工作状况下仿真模型所获得的关断电流计算出实现ZVS所需时间最短时间，获得死区时间；判断是否满足ZVS和死区时间的设定需求，对应确定关断电流或死区以及ZVS实现的变量的取值范围；
步骤3：根据变换器应用的增益需求范围确定部分参数的选值变化范围，该变化范围应当设置得非常宽，涵盖每一个参数可能的取值范围，以便后续进行筛选；
步骤4：根据谐振变换器选取的额定工作频率确定其余谐振参数的选值变换范围；
步骤5：基于基波等效分析法建立谐振变换器的稳态分析模型；
步骤6：基于功率等级和输出电压确定后级电路中的对应参数的取值范围；
步骤7：推导出前级谐振拓扑的输出阻抗和后级拓扑的输入阻抗，并基于Middlebrook判据，建立稳定性限制条件|Zout_F|≤|Zin_B|；
步骤8：根据所得数学模型以及应用需求建立对应的包括增益M，频率fr，输出电压，输入电压，阻抗角
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ZVS实现以及稳定性等限制条件，并在Matlab中建立对应程序进行轮寻筛选，寻找符合应用需求的参数组；
步骤9：记录所有符合条件的参数组，并经过仿真验证参数特性是否真正满足需求，如果不满足需求则适当改变参数选取范围并重新选择变换器参数再一次完成上述步骤直至找到经验证符合需求的一组或多组参数组；
步骤10：由于上一步中可能存在多个符合限制条件的参数组，为了选择出最优参数组，则建立新的目标函数，以新的目标函数为优化目标，分别计算获得各组参数下目标函数的结果，选择最优的参数组。
应用级联变换器的参数设计方法的级联变换器，其特征在于：以LLC+Buck的级联型变换器为例进行说明，所述LLC变化器由一个全桥逆变电路、一个谐振电路和一个二极管组成的推挽整流电路组成；所述谐振电路包括变压器T1、谐振电感Lr和谐振电容Cr和相关谐振元件，Lm标示变压器T1的励磁电感；VH表示输入直流电压源，S1-S4是逆变电路的功率开关管，二极管D1、D2构成推挽整流电路；后级Buck由S5-S6两个开关管和续流储能电感Lb和输出侧滤波电容CL电容构成，UL为输出电压，C为LLC与Buck两级间的稳压滤波电容。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明中，采用建立限制条件并参数轮寻最终以效率为目标函数进行检索，并结合级联变换器拓扑的稳定性判据建立新的限制条件，最终获得最优参数组。
本发明中，应用所述设计方法对于LLC+Buck的级联型变换器进行参数设计，采用该设计方法后，LLC和Buck拓扑的输出电压的输出稳定性高，变换器的总体开关损耗被降至最低且可明显实现软开关的功能，具有良好的设计效果。
附图说明
图1是本发明的应用于级联变换器的参数设计方法流程图；
图2是以LLC+Buck级联拓扑变换器为实施例分析的变换器结构图；
图3是本发明基于LLC+Buck为例的具体参数设计方法流程图；
图4是以LLC+Buck级联拓扑变换器为例分析所得参数建立变换器实验输出波形；
图5是以LLC+Buck级联拓扑变换器为例分析所得参数建立变换器实验软开关波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
应用于级联变换器的参数设计方法，本发明的创新在于，包括如下步骤：
步骤1：根据应用需求的额定输入电压、额定输出电压以及体积需求，确定谐振变换器中变压器的匝比和额定工作频率；
步骤2：基于所选择的开关器件参数搭建电力电子仿真模型；并基于额定工作状况下仿真模型所获得的关断电流计算出实现ZVS所需时间最短时间，获得死区时间；判断是否满足ZVS和死区时间的设定需求，对应确定关断电流或死区以及ZVS实现的变量的取值范围；
步骤3：根据变换器应用的增益需求范围确定部分参数的选值变化范围，该变化范围应当设置得非常宽，涵盖每一个参数可能的取值范围，以便后续进行筛选；
步骤4：根据谐振变换器选取的额定工作频率确定其余谐振参数的选值变换范围；
步骤5：基于基波等效分析法建立谐振变换器的稳态分析模型；
步骤6：基于功率等级和输出电压确定后级电路中的对应参数的取值范围；
步骤7：推导出前级谐振拓扑的输出阻抗和后级拓扑的输入阻抗，并基于Middlebrook判据，建立稳定性限制条件|Zout_F|≤|Zin_B|；
步骤8：根据所得数学模型以及应用需求建立对应的包括增益M，频率fr，输出电压，输入电压，阻抗角φ，ZVS实现以及稳定性等限制条件，并在Matlab中建立对应程序进行轮寻筛选，寻找符合应用需求的参数组；
步骤9：记录所有符合条件的参数组，并经过仿真验证参数特性是否真正满足需求，如果不满足需求则适当改变参数选取范围并重新选择变换器参数再一次完成上述步骤直至找到经验证符合需求的一组或多组参数组；
步骤10：由于上一步中可能存在多个符合限制条件的参数组，为了选择出最优参数组，则建立新的目标函数，以新的目标函数为优化目标，分别计算获得各组参数下目标函数的结果，选择最优的参数组。
本发明的使用过程是：
现以LLC+Buck级联拓扑变换器为实施例，应用所述的参数设计方法进行参数设计，进而求得符合应用需求的参数组。
步骤1：首先确定所述LLC变换器的额定参数，额定输入电压选定为220V，额定输出电压选定为48V，额定开关管控制频率选定为500kHz，变压器的匝比为4:1:1。
步骤2：基于所选择的开关器件参数搭建电力电子仿真模型。并基于额定工作状况下仿真模型所获得的关断电流计算出实现ZVS所需时间最短时间，获得死区时间。判断是否满足ZVS和死区时间的设定需求，对应确定影响关断电流的变压器因素励磁电感Lm的取值范围。
步骤3：根据变换器应用的增益需求范围确定谐振电感Lr的选值变化范围。
步骤4：根据谐振变换器选取的额定工作频率500kHz确定谐振电容Cr的选值变换范围。
步骤5：经过基波等效法对电路进行建模，计算LLC变换器的直流电压增益M、谐振点fr，阻抗角φ表达式。
步骤6：基于功率等级和输出电压确定Buck电路中的电感电流从而确定Buck电路中Lb和CL的取值范围
步骤7：推导出前级谐振拓扑的输出阻抗和后级拓扑的输入阻抗，并基于Middlebrook判据，建立稳定性限制条件|Zout_LLC|≤|Zin_Buck|。
步骤8：根据所得数学模型以及应用需求建立对应的包括增益M，频率fr，输出电压ULLC，输入电压UH，阻抗角φ，ZVS实现以及稳定性等限制条件，并在Matlab中建立对应程序进行轮寻筛选，寻找符合应用需求的参数组。
所述步骤8中的约束条件包括：
约束条件一：参数组必须使电路谐振点在500KHz附近，满足498kHz<fr<502kHz使得所述LLC变换器额定工作频率在500kHz附近获得最高效率；
约束条件二：满足LLC增益条件，在这里需要变频控制0.7-1.5频率范围内实现标准化增益0.8-1.2的调节，因此需满足M(0.7fr)/M(fr)>1.2同时满足M(1.2fr)/M(fr)<0.8。这样以满足宽输出电压调节的需求同时尽量接近谐振点保证变换器的高效率。
约束条件三：参数分组必须满足阻抗角1>φ>0以使得LLC变换器工作在感性区间满足ZVS实现条件同时不能太大以避免过大的关断电流带来的损耗。
约束条件四：参数分组必须保证前级LLC的输出阻抗的模值小于后Buck电路的输入阻抗模值保证级联系统的稳定运行。
约束条件五：考虑到实际工程原因，变压器的励磁电感一般具有3％～5％的漏感，因此需要使得电感Lr大于Lm的5％。；
步骤9，记录所有符合条件的参数组，并经过仿真验证参数特性是否真正满足需求，如果不满足需求则适当改变参数选取范围并重新选择变换器参数再一次完成上述步骤直至找到经验证符合需求的一组或多组参数组；
步骤10，基于多个符合限制条件的参数组，以额定运行效率为优化目标，对各组参数分别进行损耗分析，最终筛选出最优参数组。
为对上述的参数设计方法的设计效果进行说明，进一步，对经上述参数设计后的级联型直流变换器进行试验验证，其额定条件下的实验波形如图4-5所示。图4中VLLC，VBuck分别表示LLC和Buck拓扑的输出电压，可以看到其输出稳定性。图5为LLC拓扑中高压开关管的ZVS软开关示意图，虚线可以明显看出软开关的实现。iLr表示Lr的谐振电流，VS1_GS为开关管S1的驱动电压，VS1_DS和VS2_DS则分别表示S1和S2开关管的源漏极电压。变换器的总体开关损耗被降至最低，与本例中的设计目标相同。说明本发明所述参数设计方法具有良好的设计效果。

Claims (2)

1.应用于级联变换器的参数设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：根据应用需求的额定输入电压、额定输出电压以及体积需求，确定谐振变换器中变压器的匝比和额定工作频率；
步骤2：基于所选择的开关器件参数搭建电力电子仿真模型；并基于额定工作状况下仿真模型所获得的关断电流计算出实现ZVS所需时间最短时间，获得死区时间；判断是否满足ZVS和死区时间的设定需求，对应确定关断电流或死区以及ZVS实现的变量的取值范围；
步骤3：根据变换器应用的增益需求范围确定部分参数的选值变化范围，该变化范围应当设置得非常宽，涵盖每一个参数可能的取值范围，以便后续进行筛选；
步骤4：根据谐振变换器选取的额定工作频率确定其余谐振参数的选值变换范围；
步骤5：基于基波等效分析法建立谐振变换器的稳态分析模型；
步骤6：基于功率等级和输出电压确定后级电路中的对应参数的取值范围；
步骤7：推导出前级谐振拓扑的输出阻抗和后级拓扑的输入阻抗，并基于Middlebrook判据，建立稳定性限制条件|Zout_F|≤|Zin_B|；
步骤8：根据所得数学模型以及应用需求建立对应的包括增益M，频率fr，输出电压，输入电压，阻抗角φ，ZVS实现以及稳定性等限制条件，并在Matlab中建立对应程序进行轮寻筛选，寻找符合应用需求的参数组；
步骤9：记录所有符合条件的参数组，并经过仿真验证参数特性是否真正满足需求，如果不满足需求则适当改变参数选取范围并重新选择变换器参数再一次完成上述步骤直至找到经验证符合需求的一组或多组参数组；
步骤10：由于上一步中可能存在多个符合限制条件的参数组，为了选择出最优参数组，则建立新的目标函数，以新的目标函数为优化目标，分别计算获得各组参数下目标函数的结果，选择最优的参数组。
2.应用如权利要求1所述的应用于级联变换器的参数设计方法的级联变换器，其特征在于：其特征在于：包括LLC+Buck的级联型变换器，所述LLC变化器由一个全桥逆变电路、一个谐振电路和一个二极管组成的推挽整流电路组成；所述谐振电路包括变压器T1、谐振电感Lr和谐振电容Cr和相关谐振元件，Lm标示变压器T1的励磁电感；VH表示输入直流电压源，S1-S4是逆变电路的功率开关管，二极管D1、D2构成推挽整流电路；后级Buck由S5-S6两个开关管和续流储能电感Lb和输出侧滤波电容CL电容构成，UL为输出电压，C为LLC与Buck两级间的稳压滤波电容。
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