[发明专利]LLC谐振变换器优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及到谐振变换器的技术和分析技术。

背景技术

LLC谐振变换器最早在1980年代就以被提出，是在传统LC二阶谐振变换器基础上增加一个并联谐振电感改进而来，相对于普通串联、并联谐振变换器在特性上有了明显的改善。近年来LLC谐振变换器成为功率变换器的研究热门拓扑，并且成功地应用到不同的电源产品中，实现高性能的DC/DC变换。

LLC谐振变换器具有宽负载、宽输入电压范围，具有单纯串联谐振变换器和并联谐振变换器无法比拟的优势，因而得到行业内技术人员的广泛关注和深入研究。为了提高功率密度并减小体积，设计者不断提高变换器的开关频率，但随之而来的是开关损耗的增加，以及变换器效率的降低。如何通过有效的优化设计发挥LLC谐振变换器的优势越来越成为相关领域研究人员所关注的热点问题。

目前，相关设计仍依赖于设计者的经验，缺乏一个能够对工作频率、损耗及增益进行综合评价的设计指标，因此难以准确找到能够平衡各项指标要求的最佳设计参数，或者由于约束条件多且指标要求相互制约而造成计算复杂和求解困难。传统的LLC谐振变换器优化设计方法常以主回路谐振电流有效值作为主回路损耗大小判断标志，但由于励磁电感与谐振电感比m、品质因数Q在表达式中均与主回路谐振电流有效值成单调关系，因此还需设定其他条件进行约束，常用约束条件有原边开关管零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)条件和变换器电压增益取值。但此类方法往往造成由于约束条件过多而计算求解困难，或者无法取得解析解，给工程应用造成困难。为了简化计算，通过增加评价指标，将主回路谐振电流有效值、峰值增益频率点作为评价指标进行优化，但此类方法不具有直观性，无法使设计者清晰简便地观测变换器设计指标。而在工程设计中，设计者为避免复杂的计算，由大量实验及计算得到了不同参数取值下的变换器增益、频率范围及效率评价指标，再用查表法找到最接近设计要求的设计方案，此类方案依靠于实践经验，且无法由设计者的不同要求进行精确设计，只能做到粗糙的近似化设计，从而给LLC谐振变换器的优化设计带来了诸多不便。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于功率因数角评价的LLC谐振变换器优化设计方法，解决了传统的LLC谐振变换器优化设计方法评价指标不直观、互不统一以及优化设计无法综合考虑变换器诸多性能的问题，同时兼顾谐振变换器的转换效率和安全性。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种电感-电感-电容谐振变换器优化设计方法，所述方法包括步骤：

A、获取电感-电感-电容谐振变换器性能参数；

B、将电感-电感-电容谐振变换器电路变换为等效电路；

C、根据谐振回路功率因数角为零的条件，确定过载条件下电感-电感-电容谐振变换器励磁电感与谐振电感比值m与品质因数Q之间的第一关系；

D、根据电压增益与归一化工作频率极值点之间的关系，确定电感-电感-电容谐振变换器励磁电感与谐振电感比值m与品质因数Q之间的第二关系；

E、结合所述第一关系与第二关系，求取电感-电感-电容谐振变换器励磁电感与谐振电感比值m与品质因数Q；

F、基于所述励磁电感与谐振电感比值m与品质因数Q，确定电感-电感-电容谐振变换器的谐振电感、励磁电感和谐振电容值。

其中所述过载条件为120％重载。

所述获取电感-电感-电容谐振变换器性能参数包括输入电压最大值U_inmax、输入电压最小值U_inmin、归一化最大工作频率f_nmax、归一化最小工作频率f_nmin、变压器变比n、谐振频率f_r1以及电压增益最小值M_min。

特别地，步骤C中，根据谐振回路功率因数角为零的条件，确定过载条件下电感-电感-电容谐振变换器励磁电感与谐振电感比值m与品质因数Q之间的第一关系包括：

所述过载条件下，谐振回路功率因数角为：

确定当谐振回路功率因数角为零时，励磁电感与谐振电感比值m与品质因数Q之间的第一关系为：

其中，

f_nmin为归一化最小工作频率，

β为负载率，

Q为品质因数，

m为励磁电感与谐振电感比值。