一种LCC谐振变换器参数的设计和分析

一种LCC谐振变换器参数的设计和分析第45卷第5期2011年5月电力电子技术PowerElectronicsVo1.45.No.5May2011一种LCC谐振变换器参数的设计和分析纪峰,王忠东,徐晴(江苏省电力试验研究院有限公司,江苏南京211100)摘要:介绍了一种LLC谐振变换器参数的设计方法.基于高效率,高功率密度的要求.通过研究各参数对电路运行和性能所造成的影响,设计最优化的参数以满足变换器的设计要求.根据计算结果制作出实际样机并给出实验结果,该实验数据证实了理论分析的正确性.关键词:谐振变换器;参数优化;高功率密度中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号:1000100X(2011)05009302TheDesignandAnalysisofParametersinLLCResonantConverterJIFeng,WANGZhongdong,XUQing(JiangsuElectricPowerResearchInstituteLimitedCorporation,Nanjing211100,China)Abstract:ThemethodofparametersinLLCresonantconverterisintroduced.Inordertosatisfythedemandofhighefficiencyandhighpowerdensity,amethodofparametersoptimizationinLLCresonantconverteriselaboratedonthebaseoftakinganinvestigationoftheeffectonoperationorperformance.Theexperimentalresultshaveverifytheva-lidityoftheproposeddesignandoptimizationmethod.Keywords:resonantconverter;parametersoptimization;highpowerdensity1引言2电路概述随着开关电源的发展,软开关技术得到了广泛发展.作为谐振型软开关拓扑的一个代表,LLC谐振变换器以其功率密度高,开关损耗小等优点.成为近年的研究热点.如何最优设计LLC谐振变换器的参数.使其在软开关条件下满足输入输出变化的要求显得尤为重要.目前,对于LLC谐振变换器的设计.大都采用试错法,其过程较为复杂.文献1在时域内推导了参数选择公式,加入了限制条件.利用图解法指明参数优化方向.结合调试获得设计参数.但针对不同要求设置的限制条件不尽相同.文献【2】在频域内分析了LLC谐振半桥变换器的一些特性.推导出一些有价值的参考公式.确定了参数的大致范围,对该类变换器的调试工作有很大指导意义.但未给出特性参数明确的求解公式.文献【3】提出了LLC变换器的部分设计方法.但未给出推导过程和优化方法.在此针对现有设计方法谐振参数选择困难,设计调试复杂,耗时的缺点,结合上述研究成果,总结出一套完整的参数设计方法,给出主要参数的详细求解公式.并通过实验进行了验证.定稿日期:20101l一17作者简介:纪峰(1981一),男,江苏淮安人,硕士,研究方向为电力电子技术.图l为半桥结构的LLC谐振变换器主电路拓扑.主开关VS和VS:构成一个半桥结构,其驱动信号均是固定理论占空比为0.5的互补信号.串联谐振电感.,串联谐振电容和并联谐振电感构成LLC谐振网络.,nl+r宁CoI图1LLC谐振变换器的主电路该谐振网络连接在半桥的中点和地之间.故C也起隔直的作用.在变压器次级,VD.和VD组成中间抽头的整流电路.整流二极管直接连接到输出电容上.当并联电感上的i大于谐振槽路上的电流时,>0,初级向次级输送能量,同时.两端电压被次级电压箝位,参与谐振的只有和,此时的谐振频率称为串联谐振频率;当i在箝位电压的作用下线性上升到与i相同时,i.减小到零,初级不再向次级传输能量,此时.,一起参与谐振,其谐振频率称为串并93第45卷第5期2011年5月电力电子技术PowetElectronicsVo1.45.No.5Mav2011联谐振频率.当开关管的工作频率小于时,变换器工作在容性状态;当开关频率处于和之间时.变换器工作在感性且次级整流二极管处于零电流关断状态;当开关频率大于时,零电流关断条件不再存在,LLC等同于一般串联谐振电路.3LLC变换器的建模和参数设计VS.和VS:互补导通,在ua上形成一方波电压.因为输出恒定,所以通过全波整流电路和中问抽头变压器等效到变压器初级同样形成一个方波电压.图2为LLC谐振变换器的交流等效电路,为电压型负载全波整流电路的交流等效负载,RAc=8n2RL/tr,为变压器匝比.用交流分析法可得交流基波电压增益为:每爵式中:k为系数,k=LffL为谐振频率=1,(2,/)为开关频率.输入,输出电压基波有效值分别为:Ei=,/2Eo=2211,Uq经推导可得直流增益为:GDc”U=_o=1I1式中:Q为串联谐振电路品质因数,Q=Ac.首先设计匝比n,为使电路工作在.以下和.厂珈以上,将最高输入电压时的工作频率固定在上.不同Q值的电压增益曲线在串联谐振频率点时汇聚在一点上,据此可得:G一=(3)通过式(3)可解出n.由图3可知,k值越大,最小开关频率与谐振频率之间的比值就越小,亦即当输入电压变化时,开关频率变化范围较大,这样不利于变压器工作;而若值较小,即.相对较小,这样流过z.的旁路电流也就较大,则己的损耗较大,影响传输效率,故k值要折中选取.在和|i值已确定的情况下.设计Q值.随着负载的变轻,9值越来越小,所以仅需计算出一个满足增益要求的Q最大值即可.0.150.I20.0900.06O.O3图3Q值不变,不I司k值时电压增益频率特性4LLC变换器的参数优化由于.的大小直接决定开关管的通态损耗,也标志了流过并联电感及变压器的电流,所以将其作为优化的对象.由图4可知,i.峰值为:一n,p=百(4)uinCOS式中:为电压与电流之间的相位角.图4谐振槽路方波电压基波分量与谐振电流关系将只=P0=uo2/R代入式(4)得:,一一Uo一rULCOS0先固定Q和,:,变比n和k值时,利用MathCAD对上述,n的解析式进行比较,如图5所示.可见,在相同k值下,n越大,D就越大,即损耗越大,且n越大,k的取值范围就越小.因为在相同的n下,值越大,其最大增益就越小,故当n较小时,一旦k值过大,最大增益就无法得到满足,所以在满足最大增益条件下,应取得越小越好.4321O七七(a)n2Ib)n=4图5不同n,k值时与,D的比较5实验结果及结论实验参数如下:=250V(考虑掉电保持),=415V.额定直流输入电压U=395V.输出电压电流为24V/10A.选择谐振频率为110kHz(额定输入输出时的频率),根据实际设计出变压器的参数为:n=37:4,=33nF,L=72IxH,k=4.图6a示出UA.与Vs的驱动波形;图6b示出uA与槽路电流.的实验波形图.(下转第97页)基于模糊自整定控制的400Hz逆变电源系统由e()+AU):u可求出A的值,M为每条模5结论糊规则对应的控制量.4实验结果将该控制策略在一台以TMS320F2812为控制核心的2kVA逆变电源样机上进行实验.图4为空载和带阻感负载的输出电压波形.t/(500laSI格)t/(500tlS/格(a)载输j乜驻tb)带阻感负载输出t乜图4输出电压波形图5为加入模糊自整定控制前后的输出电压电流波形,可见,图5b波形具有更好的正弦度.自整定模糊控制器对参数的非线性抑制能力强,故带非线性负载时的波形并未发生很大畸变.ti(5001as/格)t/(500las/骼)(a)-bJJlj模糊整定控制(b)Jll模糊自整定控制图5带整流性负载输出波形从逆变系统的非线性及动态响应着手.以传统三环反馈控制和模糊控制为基础.构造了一种新型的多环反馈控制方案.该方案采用带有自整定功能的模糊控制器取代了瞬时值电压环控制.而且应用了简化的单输入结构.降低了系统的输入维数及复杂性.并且取得了与双输入模糊器相同的控制效果.实验结果表明,采用基于模糊自整定控制的多环反馈控制系统不仅具有良好的稳态性能,而且对非线性参数有一定的抑制能力.参考文献【1】胡兴柳.基于重复.模糊控制的逆变电源控制系统研究【J】.电力电子技术,2009,43(3):5759.【2】张琦,李敏远.400Hz逆变电源全数字控制系统研究J】.电力电子技术,2008,42(9):4346.【3】Byung-JaeChoi,SeongWooKwak,andByungKookKim.DesignandStabilityAnalysisofSingleFuzzyLogicControllerJ.IEEETrans.onSystems,Man,andCyber-netics,2000,30(2):303309.【4】李子欣,王平,李耀华,等.采用数字控制的400Hz大功率逆变电源J】.中国电机工程,2009,29(6):36-42.【5】吴小华,郭磊,叶建峰.两种逆变控制技术下输出电压稳定性比较分析【J】_电力电子技术,2007,41(1):3844.(上接第94页)萋藤匪,/f500ns/格)t/(500ns/格)(a)utB及Z/gVS2波形(b)ttla1I乏iP波形图6实验波形为了验证理论的正确性.根据实测数据绘制在相同k值,输入电压变化时,不同匝比的效率叼比较曲线如图7所示(此时效率没有最优化).00l502002503O0350400“/V图7相同k值下.n变化时的实验效率可见相同k值下,n越大,越低;而n较小时,上电压也较小,导致i印较小,引起i减小,不足以释放完开关管寄生电容上的能量,使得开关管的软开关调节失去作用,故当n=21时,>200V后效率急剧下降.参考文献【1】TengLiu,ZiyingZhou,AimingXiong,eta1.ANovelPreeiseDesignMethodforLLCSeriesResonantConverterA.TelecommunicationsEnergyConference,2006,INT-ELEC06.28thAnnualInternational【C】,2006,1