基于负载变化的全桥LLC谐振变换器优化设计
发布时间：2021-01-13 09:20
LLC谐振变换器因其高效率和高功率密度的特性已经广泛应用于直流变换器的各种场合,其中负载变化将会对LLC谐振变换效率带来显著影响。首先分析了负载对全桥LLC谐振变换器最小工作频率和最大输出电压增益的影响,并提出一种基于给定负载范围电源效率优化的全桥LLC变换器参数设计方案。在此基础上,进一步给出基于负载变化的变频-移相混合控制策略的软开关实现条件。最后通过PSIM仿真和搭建实验样机验证了基于负载变化的全桥LLC谐振变换器优化设计方法的可行性。结果表明,优化设计方案既保证了较宽的电压输入范围,又实现了在给定负载范围内保持较大效率的目的。
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２理想简化等效电路模型??Ｆｉｇ．?２?Ｉｄｅａｌｌｙ?ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｍｏｄｅｌ??
，初级开关管只实现ＺＣＳ。变换器在区域１和??区域２内，可实现开关管的软开关。但当／ｓ＞／ｄ时，??二极管不能实现ＺＣＳ，存在反向恢复损耗，故变换??器应尽量工作于区域２。??当变换器工作在纯阻性曲线上时，输入阻抗??表现为纯阻性，即输入阻抗的虚部为零，此时??［／＿，此时的开关频率记为最小开关频率＾，通过??式（１）化简得｜４１：??／－＝?Ｖｌ／（８?成?Ｃｒ）－Ｚ＋ＶＸ／（?８?成队２）?（３）??式中：／Ｉ?＝?（；Ａ：＝（Ｌ？＋Ｌｒ??（８ｉｒ２Ｌ?九２）。??图４为在４＝７．７?｜ｊｌＨ，Ｇ＝３０５?ｎＦ的情况下，左??值取４，６，８，１０时的ＬＬＣ谐振变换器的与／？??的关系曲线。由图４可知，当负载电阻趋向零时，??最小开关频率趋向／ｒｆ，之后最小开关频率随着负??载的增加而减小，当最小开关频率减少到接近乂?２??后，负载再增大，最小开关频率不再发生变化。同??时，Ａ的取值越大，下降阶段最小开关频率的下降??速度越快。??图４?／＿与Ａ：，／？的关系曲线??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｗｉｔｈ?ｋ?ａｎｄ?Ｒ??将式（３）代入式（２），最大归一化电压增益为：??Ｇ?随二?ｎＵＪＵｍ＝Ｗ?ＢＶ?（ＯＬＡ－Ｄ％！?（１ＣＵＲＪ）??（４）??式中：ｓ＝／？？Ｗｒ）２－［??（ｉ，Ｌｒ）－（?ＶＴ＋／＾）／ｃｒ；ｆｌ＝／ｃＷｒ）－（?ｖＴ－〇／ｃｒ。??图５为在Ａ＝７．７?｜ｘＨ，Ｃｒ＝３０５?ｎＦ的情况下，Ａ??值取４，６，８，１０时的ＬＬＣ谐振变换器的与／？??的关系曲线。由图５可知，随着的增加，（？减??少，最大电压增益随之增大，上升趋势近乎呈现线??
无法工作在软开关区域的情??况。假设变化前后电压增益为Ｇ，，发生变化前电??路负载为＆，电路品质因数为认，所对应的开关??归一化频率为／，，稳压后的电路负载为＆，电路品??质因数为込，所对应的开关归一化频率为乂。根??据式（２）可以列出：??Ｑ２％６／（ｋ＋＼）＋｛［（ｋ＋ｌ）／ｋｆ－２Ｑ１Ｖ（ｋ＋ｌ）－Ｅ＼ｆ２Ｕ??［Ｑ２２／（ｋ＋ｌ）－２（ｋ＋ｌ）?／ｋ％２＋１?／ｋ２＝０?（８）??式中：五＝［ｉ＋ｉ／＊－ｉ／（Ｗ）］２＋（／ｉ－ｉ／ｙｉ）切ｖ（＊＋ｉ）。??由式（８）及图７可得：①若／？，＞＆，负载电阻??变小，即（＾以。如果，其中为负载??为＆时／＿对应的最大电压增益，此时存在／／使??得ＬＬＣ谐振变换器的输出电压稳定，并工作在软??开关条件下；如果，则不存在一个开关频??率使得谐振变换器实现软开关；②若＆＜／？２，负载??电阻变大，即＂。仏＂所对应的增益曲线在区??域２内的增益区间涵盖了（＞，所对应的曲线在区??域２的增益值，所以必然存在一个开关频率／２＂使??得ＬＬＣ谐振变换器满足软开关的要求。??３．５??２．５??１??０．５??〇?０．４?０．８?１．２?１．６?２??／??图７?Ｇ与０，／的关系曲线??Ｆｉｇ．?７?Ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ?ａｍｏｎｇ?Ｇ?ａｎｄ?Ｑ??３．２移相模式的软开关条件??当变换器工作在移相模式下，根据基波等效??模型和傅里叶分析可得，归一化电压增益为ｍ：??Ｇ＝ｎＵＪＵｉｎ＝Ｕ＋＾（Ｄ＾）］／??｛２Ｖ［ｌ?＋?ｌ／Ａ－ｌ／（Ａ／２）］２＋ｆ（／－ｌ／／）２／（“ｌ）?｝?（９）??式中为移相比，为滞后桥臂开关管驱动信号??滞后
【参考文献】：
期刊论文
[1]双向LLC谐振变换器的变频-移相控制方法[J]. 陶文栋,王玉斌,张丰一,曲增彬,潘腾腾. 电工技术学报. 2018(24)
[2]全桥软开关LLC变换器模型与设计[J]. 王镇道,张一鸣,李炳璋,吴旭. 电源技术. 2017(11)
[3]LLC谐振变流器最小工作频率的计算方法[J]. 徐恒山,黄永章. 华北电力大学学报(自然科学版). 2017(04)
[4]LLC谐振变换器的移相控制特性分析[J]. 杜帅林,贾晓宇,胡长生,徐德鸿. 电力电子技术. 2016(09)
[5]适用于宽输出范围的混合控制全桥LLC电路[J]. 杨瞻森,马皓,杜建华. 电源学报. 2017(01)
[6]LLC谐振变换器效率优化设计[J]. 胡海兵,王万宝,孙文进,丁顺,邢岩. 中国电机工程学报. 2013(18)
[7]全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[J]. 李菊,阮新波. 电工技术学报. 2013(04)
硕士论文
[1]全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[D]. 李菊.南京航空航天大学 2011
本文编号：2974632
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２理想简化等效电路模型??Ｆｉｇ．?２?Ｉｄｅａｌｌｙ?ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｍｏｄｅｌ??
，初级开关管只实现ＺＣＳ。变换器在区域１和??区域２内，可实现开关管的软开关。但当／ｓ＞／ｄ时，??二极管不能实现ＺＣＳ，存在反向恢复损耗，故变换??器应尽量工作于区域２。??当变换器工作在纯阻性曲线上时，输入阻抗??表现为纯阻性，即输入阻抗的虚部为零，此时??［／＿，此时的开关频率记为最小开关频率＾，通过??式（１）化简得｜４１：??／－＝?Ｖｌ／（８?成?Ｃｒ）－Ｚ＋ＶＸ／（?８?成队２）?（３）??式中：／Ｉ?＝?（；Ａ：＝（Ｌ？＋Ｌｒ??（８ｉｒ２Ｌ?九２）。??图４为在４＝７．７?｜ｊｌＨ，Ｇ＝３０５?ｎＦ的情况下，左??值取４，６，８，１０时的ＬＬＣ谐振变换器的与／？??的关系曲线。由图４可知，当负载电阻趋向零时，??最小开关频率趋向／ｒｆ，之后最小开关频率随着负??载的增加而减小，当最小开关频率减少到接近乂?２??后，负载再增大，最小开关频率不再发生变化。同??时，Ａ的取值越大，下降阶段最小开关频率的下降??速度越快。??图４?／＿与Ａ：，／？的关系曲线??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｗｉｔｈ?ｋ?ａｎｄ?Ｒ??将式（３）代入式（２），最大归一化电压增益为：??Ｇ?随二?ｎＵＪＵｍ＝Ｗ?ＢＶ?（ＯＬＡ－Ｄ％！?（１ＣＵＲＪ）??（４）??式中：ｓ＝／？？Ｗｒ）２－［??（ｉ，Ｌｒ）－（?ＶＴ＋／＾）／ｃｒ；ｆｌ＝／ｃＷｒ）－（?ｖＴ－〇／ｃｒ。??图５为在Ａ＝７．７?｜ｘＨ，Ｃｒ＝３０５?ｎＦ的情况下，Ａ??值取４，６，８，１０时的ＬＬＣ谐振变换器的与／？??的关系曲线。由图５可知，随着的增加，（？减??少，最大电压增益随之增大，上升趋势近乎呈现线??
无法工作在软开关区域的情??况。假设变化前后电压增益为Ｇ，，发生变化前电??路负载为＆，电路品质因数为认，所对应的开关??归一化频率为／，，稳压后的电路负载为＆，电路品??质因数为込，所对应的开关归一化频率为乂。根??据式（２）可以列出：??Ｑ２％６／（ｋ＋＼）＋｛［（ｋ＋ｌ）／ｋｆ－２Ｑ１Ｖ（ｋ＋ｌ）－Ｅ＼ｆ２Ｕ??［Ｑ２２／（ｋ＋ｌ）－２（ｋ＋ｌ）?／ｋ％２＋１?／ｋ２＝０?（８）??式中：五＝［ｉ＋ｉ／＊－ｉ／（Ｗ）］２＋（／ｉ－ｉ／ｙｉ）切ｖ（＊＋ｉ）。??由式（８）及图７可得：①若／？，＞＆，负载电阻??变小，即（＾以。如果，其中为负载??为＆时／＿对应的最大电压增益，此时存在／／使??得ＬＬＣ谐振变换器的输出电压稳定，并工作在软??开关条件下；如果，则不存在一个开关频??率使得谐振变换器实现软开关；②若＆＜／？２，负载??电阻变大，即＂。仏＂所对应的增益曲线在区??域２内的增益区间涵盖了（＞，所对应的曲线在区??域２的增益值，所以必然存在一个开关频率／２＂使??得ＬＬＣ谐振变换器满足软开关的要求。??３．５??２．５??１??０．５??〇?０．４?０．８?１．２?１．６?２??／??图７?Ｇ与０，／的关系曲线??Ｆｉｇ．?７?Ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｏｎ?ｃｕｒｖｅ?ａｍｏｎｇ?Ｇ?ａｎｄ?Ｑ??３．２移相模式的软开关条件??当变换器工作在移相模式下，根据基波等效??模型和傅里叶分析可得，归一化电压增益为ｍ：??Ｇ＝ｎＵＪＵｉｎ＝Ｕ＋＾（Ｄ＾）］／??｛２Ｖ［ｌ?＋?ｌ／Ａ－ｌ／（Ａ／２）］２＋ｆ（／－ｌ／／）２／（“ｌ）?｝?（９）??式中为移相比，为滞后桥臂开关管驱动信号??滞后
【参考文献】：
期刊论文
[1]双向LLC谐振变换器的变频-移相控制方法[J]. 陶文栋,王玉斌,张丰一,曲增彬,潘腾腾. 电工技术学报. 2018(24)
[2]全桥软开关LLC变换器模型与设计[J]. 王镇道,张一鸣,李炳璋,吴旭. 电源技术. 2017(11)
[3]LLC谐振变流器最小工作频率的计算方法[J]. 徐恒山,黄永章. 华北电力大学学报(自然科学版). 2017(04)
[4]LLC谐振变换器的移相控制特性分析[J]. 杜帅林,贾晓宇,胡长生,徐德鸿. 电力电子技术. 2016(09)
[5]适用于宽输出范围的混合控制全桥LLC电路[J]. 杨瞻森,马皓,杜建华. 电源学报. 2017(01)
[6]LLC谐振变换器效率优化设计[J]. 胡海兵,王万宝,孙文进,丁顺,邢岩. 中国电机工程学报. 2013(18)
[7]全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[J]. 李菊,阮新波. 电工技术学报. 2013(04)
硕士论文
[1]全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[D]. 李菊.南京航空航天大学 2011
本文编号：2974632
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