LLC半桥谐振变换器参数设计法的比较与优化

第 43巷第 1 1期 2009年 1 1月 电力电子技术 Power Electronics Vo1．43 No．1 1 November，2009 LLC半桥谐振变换器参数 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 法的比较与优化 江 雪 ，龚春英 (南京航空航天大学，江苏 南京 210016) 摘要：LLC半桥谐振变换器以其高效率、高功率密度等优点成为研究的热门拓扑。合理选择其参数的是实现变换器 高工作效率．优良软开关特性的前提和保证。介绍了 中基于频域分析的参数设计方法，在 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 其优缺点的基础上 给出一-种更为精确的频域、时域相结合的方法。通过优化参数设计，并根据该设计策略制作了一台LLC半桥谐振变 换器样机，以验证所述方法的可行性。 关键诃：变换器；谐振；参数 ／优化设计 中图分类号 ：TM46 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-100X(2009)1 1—0056-03 Comparison and Optimization for LLC Half-bridge Resonant Converter Parameter Design JIANG xue，GONG Chun ying (Nanjing University ofAeronautics&A stronautics，Nanjing 210016，China) Abstract：LLC half-bridge resonant converter has been widely studied due to advantages of high efficiency and high power density．The accurate parameters can create a precondition for LLC resonant conve~er to achieve high efficiency and satis— factory soft switching．A parameter design strategy based Oil frequency domain is described，a more accurate design strategy is introduced based on frequency and time domains in order to optimize the parameter．A LLC resonant conve~er prototype which employ the latter strategy is designed and the results verify the feasibility of the strategy． Keywords：eonve~er；resonant；parameter／optimal strategy 1 引 言 近年来，LLC谐振变换器以其结构简单，效率 高、功率密度大等诸多优点在通讯电源领域备受关 注 有关LLC半桥谐振变换器参数设计方法的研究 很多t~-2i，但主要是依靠工程经验对参数进行设计，精 确设计该变换器的参数及各参数之间的配合是实现 变换器可靠运行，确保软开关及低损耗的前提。首先 分析了LLC半桥谐振变换器的软开关特性，然后介 绍一种 LLC半桥谐振变换器的设计方法。在分析其 特点的基础上，从微观出发，引出一种新的参数设计 方法．与第一种设计策略相结合，推导设计公式，分 析其优势特点，从而实现了LLC谐振变换器参数的 优化设计。 2 LLC半桥谐振变换器的软开关特性 图 1示出LLC半桥谐振变换器电路原理图。 ，． 为变压器激磁电感；VQ．，VQ：为理想 MOS管 图 1 LLC半桥谐振变换器 由于该谐振网络非单⋯的LC构成．因此存在不 同的谐振频率。当变压器向次级传递能量时，其初级 定稿 日期 ：2009—04—24 作者简介：江 雪(1984一)，女，江苏南京人，硕士，研究方向为 功率电子 变换。 56 电压被输出电压箝位，谐振槽路中只有 ，J 和 C 发生 谐振，谐振频率为串联谐振频率f：l／(2w LX／~Cr)。 当变压器不向次级传递能量时，谐振电感 L ，谐振电 容 c 和 ，J 共同发生谐振，谐振频率为串并联谐振 频率f．,=l／[2v、／(Lr十L )C。o 为同时实现主开关管与次级整流二极管的软开 关特性，仅讨论开关频率 介于 和 之问的变换 器工作状况。半桥 LLC的软开关特性体现为：①主 开关管零电压开通。当VQ 关断，流过谐振电感的 电流 经 G放电，当 C，放电至满足 VD 导通的正 向偏置电压时，电流将流经 VD 为 VQ 的零电压 开通做好准备；②整流二极管零电流关断／导通。当i 振荡到与激磁电感电流 i 相等时，VD，，VD 因电流 下降至零，自然关断。此后当L ，C 和 L 共同谐振， 变压器初级停止向次级传递能量，负载由输出电容 C。供电，直到VQ。关断，电流通过 C 放电后，变压器 中变化的磁通感应出电势，使 VD ，VD 导通，能量传 递再次建立。同时实现二极管零电流导通。 3 LLC谐振变换器频域设计方法 合理设计变换器谐振网络的参数是实现软开关 的前提保障．下面将基于频域分析法介绍一种参数 设计策略[3j 3．1 谐振网络参数 根据直流增益公式确定变压器匝比n．要保证 变换器在全部的输入电压 范围内实现 U．．可调，n 应当在 最低的情况下计算求得：即n=U ⋯／2 。 LLC半桥谐振变换器参数设计法的比较与优化 谐振电感系数 k=L ／L ，可根据直流增益频域 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式来确定，LLC谐振变换器的直流增益表达式为： Gdc=———__——————— — ————— (1) 2凡＼／(一+÷一古)+ 1 Q 式中：Q为品质因数，Q=、／ 7C ／R⋯R 为次级等效阻抗，R = 8nRi／w ； 为变换器丁_=作频率 与f的比值，即 。 在设计变换器时，通常需要保证在 最大、输 出空载条件下，变换器输出电压依然可调，在该条件 下，式(1)可简化为： 1 通常空载时 很高，一般将最大工作频率 设为空载运行频率 =1． ，由此可得： k= l 2 nG G dc． ~n ( ＼1一 ) (3) Q的大小影响着变换器的最高直流增益。在计 算 Q之前．首先给出变换器谐振网络输入阻抗归一 化表达式： Zn( ，k，Q)： ： + (4) Z r J ÷+j 式中：五为变换器特征阻抗，Z=2~fiL 。 在设计 LLC谐振变换器时，为确保开关管实现 ZVS开通。谐振网络的输入阻抗必须呈现感性状态， 故令式(4)虚部为零，即j ／(1／k+jQx)=O，可得： ( ，Q)= 该式表示输入阻抗容性与感性区域的分界线 ， 当晟值一定时．每个 Q值对应一个变换器最大直流 增益时的工作频率，即变换器的最低工作频率 ． ， 因为只有当x>x 时，变换器方可工作在感性状态， 因此要求得 Q值，首先要确定 ． 。 对于同一变换器 而言，保持相同的 时 随 降低，故计算 ． 应 以最大直流增益为前提，同样根据式(1)可得： ＼／ 1 (6) 根据式(5)可得： Q,r~- ㈩ 3．2 频域分析法的特点分析 对于 LLC半桥谐振变换器谐振网络参数的设 计实质上是根据频域等效电路得到的。纵观整个设 计过程，直流增益表达式是其设计核心。该方法尽管 推理脉络清晰．但是参数精确度不够，主要体现在： ①频域分析法仅基于基波近似，然而实际工作时高 次谐波依然向次级传递能量，不能完全忽略其影响； 是在空载输出的条件下求得，然而实际运行 时 随着负载的加大而降低，故这样计算的 ． 并不 精确；③p的计算只是一个最大值，最后参数确定时 依然要根据直流增益关于 Q的函数曲线图来试凑到 一 个合理的Q值，这势必又增添了设计的经验误差 所以．仅采用频域分析法并不能很精确地设计 出谐振网络参数，但是时域分析涉及到大量的数值 计算，包括状态方程的列写与微分方程的求解．在实 际工程运用中并不可行 4 LLC谐振变换器的时域／频域设计法 频域与时域相结合的参数设计方法针对频域分 析设计法中误差最大的环节进行改进突破。由于 Q 的确定关系到 的计算及直流增益曲线组图的筛 选，因此是对设计精度最有影响的环节。引入时域与 频域相结合的设计方法，其核心理念在于通过对 LLC半桥谐振变换器的谐振网络元件列写电流、电 压方程，完全是从数学角度解析各元件的工作状态． 通过推导计算最后得到谐振网络元件的参数，继而 求得 Q值。 ，k的设计步骤与纯频域设计方法相同，然后 对电路进行时域分析，最后直接求得 L 的值 。 4．1 L 的求解 将变换器设计在f~ 0 ； Uvl ! 。． 1_．■．2) I_ k _ 一 {togs _．_ 一 『 _、 1二 ，_、 ． ．，^、 ．． } l t／(4 os／惜) ，，(4Ⅱs，千 ) (a) }关竹电"、和~ tk g振 电感电流 (b}枢流竹电』I、Fb流 图3 实验波形 可见，开关管实现了零电压开通，次级整流二极 管实现了零电流开通／关断，符合理论分析 6 结 论 介绍一种基于频域分析的 LLC谐振变换器参 数设计方法，分析其优缺点。在此基础上。叙述了一 种时域／频域相结合的设计方法。该方法从数学角度 紧密符合理论分析，大大提高了设计精度，优化参数 配置。最后运用该方法设计了一台 LLC半桥谐振变 换器样机，验证了理论分析的可行性 参考文献 ⋯1 欧阳茜，吴国良，钱照明．LLC谐振全桥 DC／DC变流器的 优化设计[Ji．电力电子技术，2007，41(1)：15一l9． 【2】 Yang Bo，Lee Fred C．Topology Investigation for Front End DC／ DC Power Conversion for Distrbuted Power System[D]．Vir— ginia：2003． 【3】 沈 萍．航空静止变流器 DC／DC级的研制【D】．江苏：南京 航空航天大学．2008． [4] Adragna C，De Simone S，Spini C．A Design Methodology for LLC Resonant Converters based on Inspection of Reso— nant Tank Ctlrrents[A]．Applied Power Electronics Conference and Exposition，2008 Twenty—Third Annual IEEE[CI．2008． [5] 周伟成，马 皓．半桥 LLC谐振变换器效率优化 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的 研究l J1．电力电子技术，2007，41(9)：57—59．