諧振變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì).pdf

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1、2012年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)直流輸電與電力電子專委會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集LLC諧振變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)趙慧超，張青利，劉紅昌，顏湘武（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定，071000）摘要：LLC半橋諧振變換器以其高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱門拓?fù)?。合理選擇其參數(shù)是實(shí)現(xiàn)變換器高工作效率，優(yōu)良軟開關(guān)特性的前提和保證。高頻變壓器既是LLC半橋諧振變換器的核心組件之一，同時(shí)又是LLC半橋諧振變換器的主要發(fā)熱源和體積重量的主要占有者。因此，針對(duì)高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是對(duì)LLC半橋諧振變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用AP法針對(duì)5kW高頻變壓器進(jìn)行理論計(jì)算與設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了優(yōu)化，詳細(xì)闡述了高頻變壓器的設(shè)計(jì)與制

2、作方法。關(guān)鍵詞：LLC半橋諧振變換器；高頻變壓器；優(yōu)化設(shè)計(jì)1引言隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，電源裝置向小型化、輕量化方向發(fā)展，電源的開關(guān)頻率也逐漸高頻化，但在傳統(tǒng)硬開關(guān)方式下將使開關(guān)損耗增加，影響效率。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)則[1]在一定程度上緩解了這種矛盾。LLC諧振變換器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高、功率密度大、體積小，重量輕，控制精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)在通訊電源領(lǐng)域備受關(guān)注，廣泛應(yīng)用于航天，電子，通信，電動(dòng)汽車充電站等領(lǐng)域。近年來(lái)隨著電動(dòng)汽車的崛起與發(fā)展，開關(guān)電源在電動(dòng)汽車充電站方面得到了十足的發(fā)展與推廣。但是在實(shí)際應(yīng)用中，開關(guān)電源的核心器件高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作尤為重要，因?yàn)楦哳l變壓器的設(shè)計(jì)不合理或者

3、制作工藝的不足等問題致使開關(guān)電源損耗過大，輸出電壓不穩(wěn)定，發(fā)熱量過大，甚至導(dǎo)致開關(guān)電源損壞等情況頻繁出現(xiàn)。因此，開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)與制作是制作開關(guān)電源的重要環(huán)節(jié)之一。有關(guān)LLC諧振變換器參數(shù)設(shè)計(jì)的資料很多，但其變壓器的詳細(xì)設(shè)計(jì)很少。本文首先介紹了LLC半橋諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后詳細(xì)分析了LLC半橋諧振變換器的高頻變壓器的設(shè)計(jì)過程。2LLC半橋諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)半橋LLC諧振變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。LLC諧振變換器一般包括三部分:方波產(chǎn)[2]生電路、諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出電路。方波產(chǎn)生電路可以是半橋或全橋結(jié)構(gòu)(一般根據(jù)功率需求選擇)。通過高低端開關(guān)管的交替導(dǎo)通，將直流輸入轉(zhuǎn)換為方波。當(dāng)

4、然，為防止它們同時(shí)導(dǎo)通，LLC諧振控制器普遍會(huì)在高低端開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間插入固定或可調(diào)的死區(qū)時(shí)間。LLC諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)諧振原件構(gòu)成，分別為諧振電容Cs，諧振電感Ls和激磁電感Lm。5402012年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)直流輸電與電力電子專委會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集Q1D1D2CsVinLsLmRoQ2CoD4D3圖1半橋LLC諧振變換器的主電路結(jié)構(gòu)從圖中我們可以看出，電路由以下元件構(gòu)成：兩個(gè)功率MOSFETQ、Q，Q和Q的1212占空比都是0.5，采用固定死區(qū)的互補(bǔ)調(diào)頻控制方式來(lái)進(jìn)行控制。圖中分別給出了Q和Q的12體二極管和寄生電容；諧振電容C；理想變壓器；并聯(lián)諧振電感L；串聯(lián)諧振電感L；

5、全SmS橋整流二極管D1、D2、D3、D4；輸出電容C0和負(fù)載R0。方波饋入諧振網(wǎng)絡(luò)后，電流波形和電壓波形將產(chǎn)生相位差。開關(guān)損耗為流過開關(guān)管的電流與其源漏極兩端的電壓乘積。由于Q、Q在電流流過體二極管時(shí)開啟，開啟電壓很低，12所以損耗很小。LLC諧振變換器電路有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是諧振電感L和諧振電容C的SS[3]諧振頻率，一個(gè)是L加上L與C的諧振頻率。即：mSS1f?(1)r12?LC?ss1f?(2)r22?(L??L)Csms3高頻變壓器的設(shè)計(jì)要求(1)變壓器的設(shè)計(jì)要求本次的LLC諧振變換器的高頻變壓器設(shè)計(jì)要求變壓器原邊側(cè)的逆變電路為半橋轉(zhuǎn)換電路，變壓器副邊側(cè)的整流電路為全橋整流電路

6、。本次的高頻變壓器設(shè)計(jì)的具體參數(shù)要求如下：①原邊直流輸入電壓：Vin(max)=590V，Vin(min)=436V;②副邊直流輸出電壓/電流：400V/12.5A;③諧振頻率：35kHz。(2)高頻變壓器磁芯材料的選定在對(duì)高頻變壓器的磁芯材料進(jìn)行選擇時(shí)，一定要考慮到以下幾個(gè)方面：1)所選的磁芯材料能否滿足所設(shè)計(jì)的高頻變壓器的各項(xiàng)已定性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。已定性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求主要包括變壓器的輸入輸出功率、變壓器的工作頻率、變壓器磁芯的工作磁通密度、溫度等方面的指標(biāo)和要求；2)所選擇磁芯材料能否最大限度的減小所設(shè)計(jì)的高頻變壓器的質(zhì)量和體積；3)所選擇磁芯材料在價(jià)格方面能否滿足給定的設(shè)計(jì)預(yù)算要

7、求。當(dāng)所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源中的高頻變壓器的工作頻率在10kHz-100kHz范圍內(nèi)時(shí)，較為常用的用于制作高頻變壓器磁芯的軟磁材料主要有鐵氧體材料和非晶、納米晶材料兩大類；鐵氧體材料由于具有飽和磁通密度低，磁導(dǎo)率低，居里溫度低，溫度依賴特性較強(qiáng)的缺點(diǎn)，所以并不適用于功率較大和工作磁通較高的情況下使用。雖然鐵氧體材料在使用中有這樣的局限性，但它也又具有中高頻損耗低，成本低，價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，并且鐵氧體材料可以被加工成各種形狀的磁芯