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LLC谐振变换器的一种宽范围输入设计方法

2022-02-18 来源:小奈知识网
第36卷第4期 2013年8月 电子器件 Chinese Jouroal of Electron Devices V01.36 No.4 Aug.2013 A Design Method of LLC Resonant Converter for Wide Range Input GENG Yuru ,HUANG Shiyong (Department ofE ̄ctricity and Electron,ChengdⅡTechnological University,Chengdu 610031,China) Abstract:A simpliifed time domain gain curve of LLC resonant conve ̄er for wide range input application was proposed.The converter was divided into two kind of modality during one switching cycle and the simpliied gain fcurve of the converter was derived by establishing the time domain state equation together with initial condition and boundary condition.A design method of LLC resonant conve ̄er or fwide range input was proposed,considering the quality factor Q and inductance ratio h as key factors.Finally,a 200W prototype was build.The prototype can realize power conversion with high eficifency from 1 20 V to 220 V input voltage range,which verifies the feasibility of the proposed method. Key words:LLC resonant converter;wide range input;time domain gain curve;design method EEACC:1290B doi:10.3969/j.issn.1005-9490.2013.04.014 LLC谐振变换器的一种宽范围输入设计方法 耿玉茹 ,黄世勇 (成都工业学院电气与电子工程系,成都610031) 摘要:提出了LLC谐振变换器的一种简化时域增益曲线。在一个开关周期内,将LLC谐振变换器分为两种工作模态,通过 建立每个工作模态下的时域状态方程,以及初始条件和边界条件,推导得到LLC谐振变换器的简化时域增益曲线。提出了一 种基于简化时域增益曲线的宽范围输入的设计方法,该方法以品质因数Q和电感比h为设计关键要素。最后完成了一台 200 W的样机制作,样机在120 V~220 V工作电压范围内均能实现高效率功率变换,实验结果验证了该方法的有效性。 关键词:LLC谐振变换器;宽范围输入;时域增益曲线;设计方法 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:1005—9490(2013)04—0492-05 由于LLC谐振变换器的自然软开关工作特性, 使得其能够实现高效率、高功率密度和低成本的功 率变换,是业内公认的一款适合中、小功率应用的 LLC谐振变换器的增益曲线。文献[10]提出了 LLC谐振变换器的一种精确的时域增益模型,但是 该模型相对复杂,实际增益曲线绘制需要借助 Matlab等软件完成。文献[11]提出了完成了一台输 入电压为250 V~400 V的LLC谐振变换器的设计与 DC/DC拓扑。LLC谐振变换器已经在通信电源…, LED驱动 以及新能源发电 等领域得到广泛应 用。国内外相关的文献报道层出不穷,常见的研究 方向有谐振腔设计方法研究 J、启动方法研究 J、 实验,但是文中宽范围输入设计是基于基波等效分析 法FHA(Fundamental Harmonic Approximation)得到的 优化设计策略研究r 和拓扑延拓研究 等。而随 着宽范围输入应用场合的不断增多,如燃料电池系 统中,要求输人电压范围达到两倍以上 J,宽范围 输入成为研究热点 10-12]。 因为LLC谐振变换器工作在频率调制模式,随 着开关频率的不同,变换器的工作特性和增益将跟 随着变化。为了设计宽范围输入,关键是要获得 收稿日期:2013—04—07 修改日期:2013—04—22 增益曲线,在工作频率偏离谐振频率较大时,由于 FHA分析方法得到的最大增益点与实际存在较大偏 差 J,因此设计结果往往不是最优的。 总结现有的文献报道关于LLC谐振变换器宽 范围输入的研究,可以发现,目前还缺少一种相对简 单且准确的设计方法。本文首先通过模态分析推导 得到LLC谐振变换器的简化时域增益曲线,在此基 第4期 耿玉茹,黄世勇:LLC谐振变换器的一种宽范围输入设计方法493 础上,提出了一种宽范围输人设计方法,并在该方法 指导下,完成了一台120 V~220 V输入电压范围的 样机设计与制作。区别于以往的宽范围输入设计方 法,本文所提出的方法不需要借助计算机辅助计算 软件,而且又能保证设计的准确度,是一种相对简单 且准确的设计方法。 1简化时域增益曲线 LLC谐振变换器的电路结构如图1所示,LLC 谐振变换器的设计主要是谐振腔的设计,即设计 m、 和C 。 图1全桥LLC谐振变换器 实际设计时,在选定谐振频率 后,只要分析 得到谐振腔的品质因数Q和电感比h,即可得到三 个谐振元件的参数,其关系如式(1)~式(3)所示。 fr-- 1 1) n一 兰! ! r2、 8n R。 、一 哇 ㈩ 增益曲线是设计宽范围输入的关键。现有的增 益曲线分析方法主要有时域分析法¨ 和FHA分析 法 。其中基波等效分析法就是将谐振腔的输入 信号和输出信号都等效为正弦波,并在此基础上利 用电路原理推导得到变换器增益曲线公式。该方法 仅适用于开关频率在谐振频率附近的区域,当开关 频率偏离谐振频率时,FHA分析方法得到的增益要 显著小于实际增益 j,因此对宽范围输入设计没有 太多帮助。时域分析法是在建立变换器状态方程的 基础上,结合边界条件,推导得到变换器的数学模 型,并用于绘制增益曲线。该方法得到的结果是最 准确的,但是无法得到增益曲线的解析表达式,无法 实现直观设计。正是基于这些原因,需要推导一种 简化的时域分析模型来获得相对准确的增益曲线以 完成宽范围输入设计。 LLC谐振变换器的主要工作波形如图2所示, 图中i 为谐振腔电流,i 为励磁电流,i。为流过输 出二极管的电流, 为谐振电容两端电压。To<f< 时段内,励磁电感被嵌位在输出电压,谐振腔等价为 和C 的二元件谐振电路,其等效电路如图3,对 应的状态方程为: Vin--/)Crl( ㈩=nI/0 c d川( )= ( ) (4) '/。ml(t): ( )+ m Q ,Q, Q ,Q __ \Z  /,  ‘. \ / / 乇 \ / 。 t f 。、 ,, 、. 图2主要工作波形 + n Vo 图3等效电路1(ro<£< ) < < 时段内,副边二极管已经自然关断, m、 和C 三个元件形成谐振回路,其等效电路如 图4所示。由于L 远大于 ,因此近似分析时,可 以认为电感电流近似为无变化,谐振电容两端电压 线性上升,该时段的状态方程为: c cr2(f)=ir2( )=iIIl2( ) (5) 有了上述的状态方程,再根据信号在To< < 及 <f< 这两个时段内的连续性及谐振电容两端 电压的对称性,就可以推导得到: 玎 Vo= + (Tsw- ) (6) 图4等效电路2( <t<7"3) 494 电 子 器件 第36卷 化简可得增益表达式: 肚嚣 商 不同电感比h下的增益曲线如图5所示。从图 上可以看出,电感比h越大,最大增益也越小,因此 设计宽范围输入时,需要考虑电感比h的最大值,并 且将实际的电感比h设计在这一临界值之内。 1 图5不同电感比h下的增益曲线 2宽范围输入设计方法 基于简化时域增益曲线的宽范围输入设计方法 可以如图6所示。流程中包含了5步,在满载下的额 定增益和最大增益要求计算完成的前提下,第1步是 根据变换器额定增益设计变压器匝比 ;第2步是根 据启动电流设计品质因数Q;第3步是根据最大增益 设计电感比h;第4步是进行仿真验证最大增益符合 要求;最后1步就是计算谐振腔电感和电容的参数 值。下面给出几个关键参数的设计方法。 满载下额定增益以及最大增益计算 根据额定增益设计变压器匝比 根据允许最大启动电流设计Q 根据最大增益要求设计h 已知n、Q和h,设计 岁 工, 图6 宽范围输入设计流程 2.1变压器匝比II的设计 由于LLC谐振变换器工作在谐振频率附近的 效率是最高的,因此往往设计额定输人电压 … 下变换器的增益为变压器匝比//,,即变压器匝比只 和输出电压以及额定输入电压有关,即: n=Vi 。 / (8) 2.2品质因数Q的设计 启动电流是设计LLC谐振变换器的重要考虑 因素之一。变换器启动前,副边输出电压为零,等效 为输出短路,因此变换器启动的第一个电流尖峰将 会很高,这会导致原边的MOS管过流即使采用较高 的启动频率。启动时刻变换器可以等效为由L 和 C 构成二元件谐振电路,初始条件为零,推导得到 启动电流为: '77"2Vin 一sl8n  ̄r2Vi(9) .sin 式中 为变换器启动频率。 由式(9)可以得到,在给定的品质因数下,启动 频率 越高,启动电流越小。实际的启动频率一 般为谐振频率. 的3倍~5倍。在给定的启动频率 下,品质因数Q越小,则启动电流越大。因此 在设计LLC谐振变换器时,品质因数Q有临界最小 值,这一临界值由变换器允许的最大启动电流决定。 2.3电感比h的设计 电感比h的设计需要考虑变换器的最大增益 …。在选定最低开关频率后,代人式(7)就可以计 算出电感比h。 3 实验验证 3.1样机参数设计 对于本设计中200 W的LLC谐振变换器,输入电 压范围为120 V~220 V,输出电压为48 V。额定增益 为0.218,最大增益 为0.4。设计谐振频率为 78 kHz,最低工作频率为40 kHz。第1步,根据额定增 益可以计算出变压器匝比n=1/ 。 ,计算结果为4.6。 第2步是设计品质因数Q,10 A的启动电流下,3倍的 启动频-gT,计算得到品质因数Q不能低于0.1。第3 步是设计电感比h,0.4的最大增益下,计算得到电感 比h不能大于5。第4步是进行仿真验证,对于n= 4.6,Q=O.1,h=5的设计结果,仿真实验表明最大增益 符合要求。最后一步就是计算谐振腔电感和电容的参 数值。当n=4.6,Q=0.1,h=5并且谐振频率 =78 kHz的设计结果,最终的设计结果为: 4n 2R oLr-—Q一 ・:36.7 H  (10)\ , 3l 一16 聘 尺 Q一 ‘u ・6 nF(11) 4n 2RLm-—3 oQh一 :183.3 H‘ (12)\ / 第4期 耿玉茹,黄世勇:LLC谐振变换器的一种宽范围输入设计方法495 3.2样机制作与实验结果 根据上述参数设计结果制作了一台200 W样机, 谐振腔物料为:变压器选用东磁的PQ30/30骨架, TP4A磁芯(原边19匝,副边4匝,励磁电感为183.3 IxH);谐振电感选用东磁的PQ2O/2O骨架,TP4A磁芯 (18匝,谐振电感为36.7 H);谐振电容选用EACO 的100 nF与10 nF的薄膜电容并联。半导体元件物 料为:原边MOS管为SPP06N60C3(600 V,6.2 A),副 边肖特基管为30CPQ150(150 V,30 A)。 样机的实验波形如图7所示。图7(a)为额定 工况下MOS管驱动电压 (10伏/格)、漏源电压 (100伏/格)和谐振腔电流i (5安/格),可以看出 变换器实现了软开关,实测额定工况下满载效率为 96.3%。图7(b)为最小输入电压下的工作波形: 为5伏/格, 为50伏/格, 为10安/格。 Mb I 1 gs, l 1I .‘. r ●1 lr /- , ‘ . - -._ ■_ll l .- ‘ :、  .(a)额定工况下 l : : _.. :嗡 … _ 一. 叫 l !j{f …  。0‘ c :… …一八. … …. j^.;… : .:  :/ …V’ : V 一 .… … \ fb)输入电压最小 图7样机实验波形 图8为增益曲线对比图,实线为实验增益,虚线 为理论增益。从图8可以看出,理论增益和仿真增 益在谐振频率附近基本吻合,当开关频率偏离谐振 { 图8增益曲线对比 频率时,存在一定偏差,但总体来看,该简化模型得 到的增益曲线与仿真结果基本吻合,模型准确性得 到验证。图9为不同输入电压下的满载效率曲线, 全输入电压范围内,变换器的效率都在95%以上。 /V 图9样机效率特性曲线 4 总结 本文提出了LLC谐振变换器的简化时域增益 曲线,并提出了基于该增益曲线的宽范围输人设计 方法。相比于传统的基于时域增益曲线的复杂设计 方法和基于FHA增益曲线的精确度不高的设计方 法,该方法在设计复杂度和准确度之间达到了折中 效果,是一种值得在工程设计中推广的设计方法。 参考文献: [1]Yang B,Lee F C,Zhang A J,et a1.LLC Resonant Converter for rfont end DC/DC Conversion[C]//Proceedings of 17th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Expositions.New York:Institute of Electircal and Electronics Engineers Inc,2002: 1108一l112. 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