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工业适用的大功率LLC谐振变换器方案分享

2016-02-01 09:17 来源:电源网综合 编辑:柚子

LLC谐振变换器目前已经在工业控制、通讯以及电动汽车等领域得到了广泛的应用,而对于工业系统的应用范围而言,LLC谐振变换器不仅需要较高的转换效率,还需要具有耐高压、大功率等特性。本文将会介绍一种工业范围适用的大功率LLC谐振变换器设计方案,希望通过本文的介绍,对工程师的工作有所帮助。

LLC谐振网络设计

对于本方案所设计的高压、大功率LLC谐振变换器来说,此次设计的侧重点是谐振网络,其中有三个参数将会对谐振变换器的性能有重要影响,这三个参数分别是变压器匝数比n、谐振电路品质因数Q和系数k。其中:

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上文所提到的这三个谐振网络参数对LLC谐振变换器的工作效率、循环能量和稳压输出所需频率范围等都有直接影响。其中,参数Q的值越高,稳压所需的开关频率范围就越大,但Q值过低又可能导致变换器稳压能力下降。参数k的数值直接决定励磁电感中存储能量的大小,k值太小将影响变压器绕组间的耦合,一般取5—10范围内。

因此,在本方案中,我们所设计的这一大功率半桥LLC谐振变换器参数设计要求可以总结为:输入电压为直流480~580V。输出电压为直流400V,输出电流为0~12.5A额定输出功率为5kW。下面将会一句这三个方面的参数设计要求,进行相应的数值计算。

变压器变比的设计

变压器变比的设计是这一LLC谐振变换器方案中非常重要的一环,当开关频率工作在谐振点时,这一大功率LLC谐振变换器的直流增益为1,并且与负载无关。为使变换器工作在fr2和fr1之间,工程师通常将最高输入电压时工作频率固定在串联谐振频率上,此时增益最小,且直流增益M=1。所以参数Gdc(min)=Vo/Vin(max)=400/580=0.725。


直流增益M的计算

LLC谐振变换器的运行过程中,当其本身的输入电压最小时转换器的增益最大,所以最大增益可计算为Gdc(min)=Vo/Vin(max)=1/2nMmax。经过变形计算,得出最大直流增益为1.2,而考虑M需要15%裕量,所以峰值增益M的计算公式为:M=Mmax×1.15=1.38。

副边等效阻抗的计算

在这一大功率LLC谐振变换器的副边等效阻抗计算过程中,本方案选择k的值为k=4,通过查询品质因数Q与峰值增益的特性曲线,得到品质因数Q=0.43,所以副边等效阻抗Rac的计算过程为:

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谐振电容、谐振电感和激磁电感的计算

fr1取35kHz,则:

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仿真结果及分析

根据上文中的大功率LLC谐振变换器设计原理和设计参数计算公式,将所得出的参数采用PSPICE软件进行建模仿真。经软件仿真后所得到的输出电压Vo的波形如下图图1所示。由于本方案所采用的谐振电流为正弦波,因此谐振变换器中的谐振电流ILs和激磁电流ILm的波形如下图图2所示。

输出电压Vo的波形图
图1 输出电压Vo的波形图

谐振电流ILs和激磁电流ILm的波形图
图2 谐振电流ILs和激磁电流ILm的波形图

图2中的VHB是这一LLC谐振变换器的两个开关管中点,即半桥中点的电压波形。由图2所提供的波形图中可看到,在这一变换器正常工作的状态下其谐振电流呈感性,原边开关管实现了零电压开关(ZVS)。这一大功率谐振变换器的副边整流二极管ID1和ID4的波形如下图图3所示。

副边整流二极管ID1和ID4的波形
图3 副边整流二极管ID1和ID4的波形

由图3所提供的波形图可以看到,我们所设计的这一大功率高压LLC谐振变换器中,其副边二极管实现了零电流开关(ZCS)。综上可知,这一谐振变换器的谐振网络工作性能良好,能够符合工业领域中的应用需要。

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