【《交错并联LLC参数设计及仿真分析案例》4900字】

交错并联LLC参数设计及仿真分析案例1.1励磁电感的优化励磁电感的大小会影响变换器是否可以正常工作，因此有必要对励磁电感进行优化设计[53]，当开关频率与谐振频率相等时，变换器传输效率达到最大，谐振电流与励磁电流的波形如图4-1所示：（a）忽略死区时间谐振槽电流波形（b）考虑死区时间谐振槽电流波形图4-1谐振电流与励磁电流的关系Fig.4-1relationshipbetweenresonantcurrentandexcitationcurrent根据上图所示，若不考虑死区，可以将LLC谐振变换器的励磁电流表达式表示为：（（4-1）推导出励磁电感的峰值电流：（（4-2）谐振电流的正弦形式可以表示为：（4-3（4-3）与分别用来表示谐振电流有效值和谐振电流电压的相位之差，考虑到谐振电流与励磁电流的值相等的时刻在半个周期时，可得到：（4-4（4-4）谐振电流一部分会流过励磁电感，另一部分会流过变压器原边，经过变压器及整流桥流过负载，可得到：（4-5（4-5）由公式(4-3)、（4-4）、（4-5）可以解出谐振电流的有效值为：（（4-6）由公式（4-6）可知，谐振电流有效值与励磁电感有关，若考虑开关管的结电容，谐振网络波形如图4-1（b）所示，为使每一个开关管能够实现零点开通，结电容在开关管关断后能快速复位，需要满足：（4-7（4-7）表示开关管的寄生电容参数，表示开关管的死区时间，由式（4-7）可得，励磁电感需要满足以下条件：（4-8（4-8）1.2交错并联LLC的参数设计与分析对交错并联LLC进行仿真与实验前，需要对各项参数进行计算与设计，最主要的有谐振变换器的输入与输出电压范围，输出功率以及频率等。输入电压为额定电压时，要选择合适的开关频率，可将开关频率设置在谐振频率附近，这样既能保证变换器工作在较高的频率下，又可以避免电磁兼容的问题，本文设计谐振频率,输入额定电压为300V。1.2.1谐振槽参数的设计当变换器在完全谐振状态下时，谐振电容与谐振电感的阻抗大小相等方向相反，变换器的传输效率是最高的，因此就针对于这一情况对谐振槽的重要参数进行计算分析：根据输入输出电压关系，得到变压器的变比n：（4-9（4-9）计算单路的输出平均电流：（4-10（4-10）单路平均分配的输出电阻:（4-11（4-11）变压器原边的交流等效电阻为：（4-12）（4-12）根据对变换器的设计，为了保证开关管可以实现ZVS，并且满足电压增益的范围，需要选择合适的电感归一化量与品质因数Q的值，根据第二章的分析，选择的值为6，品质因数的值为0.3，根据公式（2-1）、（2-13）以及（2-17）并且谐振频率在100kHz在的情况下，计算出谐振电感、谐振电容以及励磁电感的值分别为：（4-13）（4-13）根据实际情况，选择,进一步可以计算出频率。设置开关管的死区时间是600ns,并且根据管子的实际情况，估算寄生电容为240pF,由公式4-8计算：（4-14（4-14）由上式计算结果可知，可以满足ZVS的需求。当变换器在重载情况下运行时，开关频率处于最低的状态，则对应的LLC增益是最大的，计算最大电压增益为：（4-15（4-15）由电压增益公式计算出的最低开关频率为，为留有一定裕度，实际情况下选择最低开关频率为65kHz;当变换器在轻载或最高电压运行时，开关频率处于最高的状态，对应LLC的增益最小，计算最小电压增益为：（4-16（4-16）根据电压增益计算公式，计算出的最高开关频率，为了留有一定的裕度，实际情况下选择的最高的开关频率为125kH。1.2.2谐振电感的设计计算谐振网络最小输入电压的有效值为：（（4-17）计算谐振电感电流最大有效值：（4-18（4-18）谐振峰值电流为：（4-19（4-19）根据AP法选择谐振电感的磁芯，得到：（4-20（4-20）公式中表示饱和限制的最大磁通密度，表示绕组在磁芯窗口中的填充系数，表示最大电流密度。根据本文以上参数计算，选择EFD25磁芯，其参数，计算绕组匝数：（4-21（4-21）取整数后选为25匝；计算磁芯气隙的长度为：（4-22（4-22）导线截面积：（4-23（4-23）根据面积计算出直径，进而得到窗口填充系数：（4-24（4-24）由于窗口填充系数小于0.5，故磁芯满足绕制要求。1.2.3变压器的设计在LLC谐振变换器中，谐振电感既可以和变压器进行集成，也可以连接在变压器外边，因此结构的不同，对应于变压器的设计和磁芯的选择也就不一样，考虑到集成的方法对变压器要求高，设计难度大，所以在本课题中，采用谐振电感独立于变压器的结构。1.2.3.1磁芯的选择LLC谐振变换器的谐振频率高，谐振槽为交流电，流入的电流会在磁芯上产生很多损耗，应选用铁氧化物的磁芯，同样根据AP法来求得变压器磁芯的大小，计算如下：（（4-25）其中，表示系数，查阅相关资料，变换器为中心抽头时，所取得值为0.014，本文选取磁芯型号为ETD49，对应参数为：（4-26（4-26）1.2.3.2变压器原副边匝数的计算副边匝数依据计算公式可得：（4-27（4-27）根据匝数比关系，选择副边匝数为匝，原边匝。1.2.3.3变压器电流有效值的计算为了计算输入输出端的最大电流的有效值，需要计算出开关频率的最低值，那么最小的开关角频率为：（4-28（4-28）谐振槽输入阻抗的实部和虚部分别为：（4-29（4-29）（4-30（4-30）（4-31（4-31）（4-3（4-32）（4-3（4-33）（4-33（4-33）（（4-34）1.2.3.4变压器原副边导线的计算查阅资料，电流密度取，原边导线直径为：（4-3（4-35）副边导线所需直径：（4-36（4-36）（4-30）当温度为100℃时的穿透深度为：（4-3（4-37）经过工程上的一些研究和实际中的经验，可以选择漆包线的直径为0.35mm,通过计算得到的变压器原副边导线股数为：（4-39）（4-39）（4-38）最后计算窗口利用系数：（4-（4-40）文献[54]提到，窗口利用系数一般为0.25-0.5左右时符合设计要求，因此设计合理。1.2.4功率器件的选型1.2.1.1逆变桥开关MOS管的选择当LLC谐振变换器正常工作时，逆变桥两端所承受的电压为输入母线电压，因为需要保留一定的耐压裕度，所以选择的MOS管至少需要大于母线电压，上述公式已经计算出谐振槽电流的有效值，所以必须要保证MOS管的漏极电流大于这个值才能满足要求，而MOS管寄生电容的大小也是非常重要的，因为寄生电容选取的太大，MOS管可能工作在硬开关状态，所以为了实现软开关，应选择合适的寄生电容，由于LLC的开关频率较高，需要考虑体二极管反向恢复时间。另外要选择导通电阻较小的MOS管，这样就会减小能量在电阻上的损耗。根据以上所述，本文采用型号为IPA65R650CE的MOS管，可以满足实验所需。表4-1IPA65R650CE工作参数IPA65R650CEWorkingparameters主要参数参考值漏源电压650V漏极电流7A漏源导通电阻6501.2.1.2整流二极管的选择整流二极管的耐压能力不得小于最大的输出电压值，并且需要留有20%的裕量，结合本文实际情况，需要二极管能够承受60V以上的电压，流过副边二极管的最大电流值为25A，选用二极管所承受的电流应大于这个值，本文选用二极管的型号为STP20S100CT，最大电压最大电流分别可承受100V、30A，满足要求。1.3系统仿真分析对系统进行仿真验证，主要参数如下表所示：表4-2.主要实验参数表Tab.4-2.Mainexperimentalparameters主要仿真参数数值输入电压300V输出电压48V输出功率1.5kW谐振频率100kHz如图4-2为开关频率小于固有谐振频率时的波形，当谐振电感电容、参与谐振时，谐振电流为正弦形式，当谐振电感电容、和励磁电感共同参与谐振时，谐振电流全部流入励磁电感中，并且在此时刻所对应的输出电流为零，仿真波形与原理所述一致。图4-2fs<fr时的谐振槽与输出电流仿真波形Fig.4-2fs<frresonantslotandoutputcurrentwaveform图4-3为开关频率等于谐振频率时的波形，这种情况下，副边二极管处于零电流关断的临界时刻，当励磁电流刚好等于谐振电流时，半个周期结束，仿真波形与原理分析一致，图4-4分别为此工作模式下的谐振电流与励磁电流的波形。图4-3fs=fr时的谐振槽与输出电流仿真波形Fig.4-3fs=frresonantslotandoutputcurrentwaveform图4-4fs=fr时的谐振电流与励磁电流波形Fig.4-4fs=frresonancecurrentandexcitationcurrentwaveform图4-5fs>fr时的谐振槽与输出电流波形Fig.4-5fs>frresonantslotandoutputcurrentwaveform图4-5为开关频率大于谐振频率时的波形，整个周期内励磁电感无法参与到谐振当中，因此不存在谐振电流等于励磁电感的情况，从而不能实现变压器二次侧的零电流关断，仿真波形与原理分析一致。图4-6为LLC谐振变换器实现零电压开通时的波形图，图中为开关管的驱动波形，为开关管寄生电容两端的电压波形，从仿真波形可以看到，开关管开通时刻，开关管两端的电压已经降为零，开关管能够实现ZVS，降低了开关管对电能的损耗。图4-6LLC谐振变换器实现软开关时的波形图Fig.4-6waveformdiagramofLLCresonantconverterwithsoftswitching图4-7、4-8分别为移相前与移相后开关管的驱动波形，从图4-8中可以看出，开关管、滞后开关管、一定的角度，图4-9、4-10分别为移相前与移相后谐振槽输入电压与输出电流的仿真波形图，从仿真波形图对比可以看出，移相后，输入谐振槽的电压增益会减小，输出电流的平均值也会减小，因此可以通过移相的方式减小LLC谐振变换器某一路的输入电压增益，从而减小该路的输出电流，进而达到电流功率均分的目的。图4-7未移相时的开关管波形Fig4-7switchingtubewaveformwithoutphaseshift图4-8移相后的开关管波形Fig4-8switchingtubewaveformafterphaseshift图4-9未移相时输入电压与输出电流波形Fig.4-9inputvoltageandoutputcurrentwaveformwithoutphaseshift图4-10引入移相时输入电压与输出电流波形Fig.4-10inputvoltageandoutputcurrentwaveformwhenphaseshiftisintroduced以下是对谐振槽参数存在差异时，两路电流的输出情况。图4-11为其他谐振槽参数相同，第一路LLC谐振变换器的谐振电感比第二路谐振电感大5%的两路电流输出波形，从图中能够看出，第一路的输出电流明显小于第二路，并且这样输出的总电流纹波会很大；图4-12为其他谐振槽参数相同，第一路LLC的谐振电容比第二路谐振电容大5%的两路电流输出波形，图中明显看出流过第一路LLC谐振变换器的电流明显小于第二路，同样会产生很大的纹波问题；图4-13为其他谐振槽参数相同，第一路LLC的励磁电感比第二路励磁电感大5%的两路电流输出波形，从仿真结果看出，励磁电感对两路输出电流均分的影响不大，因此不需要做过多考虑；图4-14为第一路LLC的谐振电感、谐振电容和励磁电感的值均比第二路大5%的两路电流输出波形，在这种情图4-11谐振电感有偏差时的两路输出电流波形Fig.4-11two-waycurrentoutputwaveformwhentheresonantinductorisbiased图4-12谐振电容有偏差时的两路电流输出波形Fig.4-12two-waycurrentoutputwaveformwhentheresonantcapacitorisbiased图4-13励磁电感有偏差时的两路电流输出波形Fig.4-13two-waycurrentoutputwaveformwhentheexcitationinductorisbiased图4-14谐振槽参数有偏差时的两路电流输出波形Fig.4-14two-waycurrentoutputwaveformwithdeviationoftheresonatorparameters况下，两路电流不均分程度有所增加，不均流程度更加严重，由此产生的纹波会大大增加，不能满足交错并联LLC的正常工作需求。在实际情况下，谐振槽的每个参数均可能存在差异，因此所造成的结果比仿真中更加严重，再加上电路的一些损耗，可能导致交错并联LLC谐振变换器无法凸显其优势而没有使用的价值。以下是交错并联LLC引入均流控制的仿真波形图，图4-15、4-16所示为交错并联LLC的开关管驱动波形，由于图4-15没有移相，所以这组驱动信号所驱动的是输出电流较小一路的LLC谐振变换器，而4-16中的Q3、Q4管产生了移相，所以这组驱动信号所驱动的是输出电流较大一路的LLC谐振变换器，图4-17为采用均流后的两路输出电流波形，由仿真波形可以看出，通过采用均流控制策略，实现了两路输出电流的均分。图4-15没有移相时的开关管驱动波形Fig.4-15switchtubedrivewaveformwithoutphaseshift图4-16引入移相时的开关驱动波形Fig4-16switchdrivewaveformwithphaseshiftintroduced图4-17采用均流控制后两路输出电流波形Fig.4-17twooutputcurrentwaveformwithcurrentsharingcontrol图4-18未加均流的输出总电流波形Figure4-18outputtotalcurrentwaveformwithoutcurrentequalization图4-19加入均流的输入总电流波形Figure4-19inputtotalcurrentwaveformwithcurrentsharing图4-18是在传统交错并联下的输出总电流波形，在无均流控制的情况下，电流的波动较大，波形较为杂乱无章，需要采用更大体积的滤波电容，而图4-19为在交错并联的基础上又引入均流控制时的总电流波形，该波形在采用均流控制后，输出总电流的波形较为规整，与交错并联LLC的理想输出波形非常近似，所以采用均流控制可以实现纹波的减小和两路输出电流的均分，对交错并联LLC的均流起到了很好的效果。表4-3为各项参数不同时，两路LLC谐振变换器的输出电流，从表中可以明确看出两路输出电流情况，说明了所提方法的有效性。表4-3不同参数下输出电流对比Table4-3comparisonofoutputcurrentunderdifferentparameters谐振槽参数输出电流平