LLC谐振全桥DCDC变换器设计修改

1LLC谐振全桥DC/DC变换器设计摘要：电力电子变压器(PET)作为一种新型变压器除了拥有传统变压器的功能外，还具备解决传统变压器价格高、体积庞大、空载损耗严重、控制不灵活等问题的能力，值得深入研究。PET的DC-DC变换器是影响工作效率和装置体积重量的重要部分，本文以PET中DC-DC变换器为主要研究对象，根据给出的指标，对全桥LLC谐振变换器的主电路进行了详细的设计，主要有谐振参数的设计，利用磁集成思想，设计磁集成变压器，可以大大减小变换器的体积和重量，并在参数设计的基础上完成器件的选型。此外，根据给出的参数，计算出各部分损耗，进而计算出效率，结果满足设计效率的要求。利用PEmag和Maxwell仿真软件设计磁集成变压器，验证磁集成变压器参数。运用Matlab/simulink对PET中的DC-DC变换器模型进行仿真分析，并在实验样机上进行实验研究，实验结果验证了DC-DC变换器的理论研究和设计方法的正确性及有效性。关键词：电力电子变压器；LLC谐振变换器；损耗分析；磁集成变压器中图分类号：TD62文献标识码：A文章编号：DesignofLLCresonantfullbridgeDC/DCconverterAbstract:ThePowerElectronicTransformer(PET)asanewpowertransformer,notonlyhasthefunctionsoftraditionaltransformers,butalsohastheabilitytosolvetheproblemsoftraditionalpowertransformersthatthehighprice,hugevolume,prodigiousno-loadlossandinflexiblecontrol,anditisworthin-depthstudy.TheDC-DCconverterofPETisanimportantpartofaffectingworkefficiency,volumeandweightofthedevice.ThispaperstudiestheDC-DCconvertermainly,then，accordingtogivenindexes,maincircuitoffull-bridgeLLCresonantconverterisdesignedindetail,includingthedesignofresonantparameters.Andthemagneticintegratedtransformerisdesignedwiththeideaofmagneticintegration,whichgreatlyreducestheconvertervolume,andtheselectionofdevicesiscompletedonthebasisofparametersdesign.Inaddition,accordingtothegivenparameters,lossesofeachpartandtheefficiencyarecalculated.Theresultsmeettheefficiencyrequirementsofdesign.PEmagandMaxwellsimulationsoftwareareusedtodesignmagneticintegratedtransformer,andverifiedthemagneticintegratedtransformerparameters.Matlab/simulinkisusedtosimulateandanalyzetheDC-DCconverterperformanceofPET.Aprototypeoffull-bridgeLLCresonantconverterisdevelopedandsystemtestplatformisbuiltaccordingtothetheoreticalresearchandsimulationresults.ThecorrectnessandeffectivenessoftheoreticalresearchanddesignmethodsoftheDC-DCconverterareverifiedbyanalyzingthewaveformsofthetest.Keywords:powerelectronictransformer;LLCresonantconverter;lossanalysis;magneticintegratedtransformer煤矿井下存在着各种电压等级的电源以及电气设备，供电系统十分复杂。为了满足不同电压等级的要求[1]，目前井下常用传统电力变压器来进行变压和能量传递。这种变压器制作工艺简单、可靠性高，但是其价格高、体积庞大、空载损耗严重、控制不灵活，而且，如果出现电压不平衡、谐波、闪变等现象，无法维护电力设备的正常工作[2]。所以，现在亟待解决的问题是如何保证电气设备在安全工作的情况下，给用户供应可靠稳定的电能[3]。电力电子变压器(PET)应运而生，它除了拥有传统变压器的功能外，还具备解决上述难题的能力，作为一种新型变压器，近年来成为国内外学者研究的热门问题[4-9]。LLC拓扑，作为一种双端谐振拓扑，已经在许多DC/DC功率变换方案中得到应用，但在PET上的应用尚未广泛。本研究将依据LLC全桥DC/DC变换器的原理设计一款PET，利用LLC谐振变换器本身的诸多优势达到提高PET效率的目的。21LLC谐振全桥变换器的工作原理1.1电路结构介绍LLC谐振全桥变换器主电路拓扑如图1所示。在工作过程中，励磁电感Lm会出现被钳位而不参与工作的情况，这就决定了LLC谐振变换器会有两个不同的谐振频率，一个是Lm被钳位时的频率，它由谐振电感Lr和谐振电容Cr产生，表达式为：rrr12πfLC（1）当流过Lr的电流与流过谐振电感Lm的电流相等时，变压器就没有能量传输，整流管都会关断，Lm就不会被副边电压钳位而参与谐振，此时谐振频率与励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容Cr有关，即：mmrr12π()fLLC（2）对于LLC谐振全桥变换器来说，可以运行在四种工作模式下，假设工作频率为fs，它与上面两个谐振频率的大小关系会决定变换器工作在什么样的区域内，显然fs和fm、fr的关系有fs≤fm，fmfsfr，fs=fr，fsfr四种情况。S3D5CfRo+Vo-D3D4S4LrC4C3D6+Vin-S1D1D2S2C2C1LLCnT11AA'CrLm图1LLC全桥变换器原理图1.2电路的工作原理在分析之前，假设输出滤波电容Cf无限大，输出电压可认为是恒定不变的。1.2.1变换器在fs≤fm时的工作情况变换器的谐振网络会随着开关频率的大小不同而呈现容性或感性阻抗的情况。当变换器工作在fs≤fm时，就是容性开关模式情况[10]，显然管子的电压相位在这种模式下是滞后电流相位的，当驱动信号到来时，其体二极管仍然没有导通，就不能将开关管两端电压钳位为零，这样开关管就不能实现ZVS，但当驱动信号为零时，流过管子的电流也为零，开关管实现了ZCS。由于LLC谐振变换器的逆变电路选的开关管是MOSFET，它是单极性器件，所以可以通过在栅极加反偏电压的方法来降低其关断损耗，但是没有办法降低其开通损耗，所以MOSFET的开关损耗主要为开通损耗。由于不能实现ZVS，所以要避免LLC谐振变换器工作在此频率范围内。本文对此频率范围内变换器的工作情况不做讨论分析。1.2.2变换器在fmfsfr时的工作情况当变换器工作在fmfsfr时，管子工作在感性开关模式下，它的电压相位会超前电流相位，当驱动信号到来时，其体二极管已经导通，把开关管两端电压钳位为零，这样开关管就实现了ZVS。图2给出了变换器在fmfsfr时的工作波形，可将一个工作周期分成8个工作阶段。由于后半个周期与前半个周期的工作过程相似，下面只给出前半个周期的四个工作阶段的分析如图3中（a）~（d）所示。tttttot1t2t3t4t5t6t7t8iDir/imVDSVGSS1,4S2,3VDS2,3VDS1,4irimiD5iD6图2fmfsfr时工作波形图S3D5CfRo+Vo-D3D4S4LrC4C3D6+Vin-S1D1D2S2C2C1TAA'CrLm（a）工作阶段1(t0~t1)S3D5CfRo+Vo-D3D4S4LrC4C3D6+Vin-S1D1D2S2C2C1TAA'CrLm（b）工作阶段2(t1~t2)3S3D5CfRo+Vo-D3D4S4LrC4C3D6+Vin-S1D1D2S2C2C1TAA'CrLm（c）工作阶段3(t2~t3)S3D5CfRo+Vo-D3D4S4LrC4C3D6+Vin-S1D1D2S2C2C1TAA'CrLm（d）工作阶段4(t3~t4)图3变换器在fmfsfr时前半个周期工作阶段1：(t0~t1)：开关管S1和S4的体二极管在t0之前就已经导通，所以实现了ZVS。由图2可知，谐振电流ir大于励磁电流im，两者之差大于零，经过变压器流入二极管D5使其导通，D6截止。由于输出电压的影响，Lm两端被副边电压钳位，此时只有Lr和Cr参与谐振，im线性上升，ir也经过开关管S1、S4以正弦形式慢慢变化，输入能量则通过D5传给了负载。因为fsfr，S1、S4会在ir流经半个周期的谐振时依旧开通。当ir=im时，D5因没有电流流过而关断，阶段1结束。阶段1中的ir、im和整流二极管上的电流id有如下关系：rrrosmmmdrmsin()()()()iItnVTitILititit（3）式中：n为变压器变比；Vo为负载两端电压；Ts为变换器的工作周期。im经历了从负的最大值增加到正的最大值的过程，所以有：omm4nVTIL（4）ir有效值可表达为：22orm2IIIn（5）式中：Io为变换器的输出电流。ri与mi之间的相位角φ为：1mrsinII（6）Lr和Cr谐振时的角频率r为：rrr1LC（7）工作阶段2：当t=t1时，ir=im，变压器中没有能量传输，流过D5的电流为零而使其自然关断，没有反向恢复过程，二极管实现ZCS。因为变压器中没有能量传输，Lm不再被副边电压钳位，而是与Lr、Cr共同参与谐振，因LmLr，所以谐振频率远远小于开关频率，可以近似认为这段时间内的ir波形是一条水平直线，并对Cr不断充电。当S1、S4的驱动信号为零时，阶段2结束。工作阶段3：在t2时刻，S1、S4的驱动信号消失，S1、S4关断，进入死区时间，由于irim，所以流入变压器的电流改变方向，使得D6导通，D5截止，能量通过D6传给负载。Lm被钳位，只有Lr和Cr参与谐振。此阶段中ir一直给C1和C4充电，并给C2和C3放电，ir以正弦形式减小，im线性减小，当C1和C4上电压等于输入电压，C2和C3上电压被放到零时，阶段3结束。工作阶段4：在t3时刻，D2和D3导通，ir不再从C2、C3经过，而是通过D2和D3使S2、S3两端电压保持为零，为S2、S3实现ZVS做好准备。此阶段内，ir仍小于im，ir以正弦形式继续减小，im继续线性下降，Lm被钳位，D6导通，D5截止，能量通过变压器传递到二次侧，并由D6传递给负载。当S2、S3驱动信号到来时，此阶段结束。全桥LLC谐振变换器在fmfsfr内工作时的输出电压为：moinsrr1()4IVVTTnnC（8）1.2.3变换器在fs=fr时的工作情况图4给出了变换器在fs=fr时的工作波形。4ttot1t2t3t4t5t6iDir/imS1,4S2,3VDS2,3VDS1,4irimiD5iD6tttiD5iD6VDSVGS图4fs=fr时工作波形图由图4可知，一个工作周期被分为6个工作阶段，其实可以看成是变换器在fmfsfr内