LLC諧振全橋DCDC變換器設(shè)計(jì)修改

1、LLC諧振全橋DC/DC變換器設(shè)計(jì)摘要：電力電子變壓器(PET)作為一種新型變壓器除了擁有傳統(tǒng)變壓器的功能外，還具備解決傳統(tǒng)變壓器價(jià)格高、體積龐大、空載損耗嚴(yán)重、控制不靈活等問題的能力，值得深入研究。PET的DC-DC變換器是影響工作效率和裝置體積重量的重要部分，本文以PET中DC-DC變換器為主要研究對(duì)象，根據(jù)給出的指標(biāo)，對(duì)全橋LLC諧振變換器的主電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要有諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)，利用磁集成思想，設(shè)計(jì)磁集成變壓器，可以大大減小變換器的體積和重量，并在參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成器件的選型。此外，根據(jù)給出的參數(shù)，計(jì)算出各部分損耗，進(jìn)而計(jì)算出效率，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)效率的要求。利用PEmag和Max

2、well仿真軟件設(shè)計(jì)磁集成變壓器，驗(yàn)證磁集成變壓器參數(shù)。運(yùn)用Matlab/simulink對(duì)PET中的DC-DC變換器模型進(jìn)行仿真分析，并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了DC-DC變換器的理論研究和設(shè)計(jì)方法的正確性及有效性。關(guān)鍵詞：電力電子變壓器；LLC諧振變換器；損耗分析；磁集成變壓器中圖分類號(hào)：TD62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：DesignofLLCresonantfullbridgeDC/DCconverterAbstract:ThePowerElectronicTransformer(PET)asanewpowertransformer,notonlyhasthefunction

3、softraditionaltransformers,butalsohastheabilitytosolvetheproblemsoftraditionalpowertransformersthatthehighprice,hugevolume,prodigiousno-loadlossandinflexiblecontrol,anditisworthin-depthstudy.TheDC-DCconverterofPETisanimportantpartofaffectingworkefficiency,volumeandweightofthedevice.Thispaperstudiest

4、heDC-DCconvertermainly,then,accordingtogivenindexes,maincircuitoffull-bridgeLLCresonantconverterisdesignedindetail,includingthedesignofresonantparameters.Andthemagneticintegratedtransformerisdesignedwiththeideaofmagneticintegration,whichgreatlyreducestheconvertervolume,andtheselectionofdevicesiscomp

5、letedonthebasisofparametersdesign.Inaddition,accordingtothegivenparameters,lossesofeachpartandtheefficiencyarecalculated.Theresultsmeettheefficiencyrequirementsofdesign.PEmagandMaxwellsimulationsoftwareareusedtodesignmagneticintegratedtransformer,andverifiedthemagneticintegratedtransformerparameters

6、.Matlab/simulinkisusedtosimulateandanalyzetheDC-DCconverterperformanceofPET.Aprototypeoffull-bridgeLLCresonantconverterisdevelopedandsystemtestplatformisbuiltaccordingtothetheoreticalresearchandsimulationresults.ThecorrectnessandeffectivenessoftheoreticalresearchanddesignmethodsoftheDC-DCconverterar

7、everifiedbyanalyzingthewaveformsofthetest.Keywords:powerelectronictransformer;LLCresonantconverter;lossanalysis;magneticintegratedtransformer煤礦井下存在著各種電壓等級(jí)的電源以及電氣設(shè)備，供電系統(tǒng)十分復(fù)雜。為了滿足不同電壓等級(jí)的要求11,目前井下常用傳統(tǒng)電力變壓器來進(jìn)行變壓和能量傳遞。這種變壓器制作工藝簡單、可靠性高，但是其價(jià)格高、體積龐大、空載損耗嚴(yán)重、控制不靈活，而且，如果出現(xiàn)電壓不平衡、諧波、閃變等現(xiàn)象，無法維護(hù)電力設(shè)備的正常工作2。所以，現(xiàn)在亟待解

8、決的問題是如何保證電氣設(shè)備在安全工作的情況下，給用戶供應(yīng)可靠穩(wěn)定的電能3。電力電子變壓器(PET)應(yīng)運(yùn)而生，它除了擁有傳統(tǒng)變壓器的功能外，還具備解決上述難題的能力，作為一種新型變壓器，近年來成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門問題4-9。LLC拓?fù)?，作為一種雙端諧振拓?fù)洌呀?jīng)在許多DC/DC功率變換方案中得到應(yīng)用，但在PET上的應(yīng)用尚未廣泛。本研究將依據(jù)LLC全橋DC/DC變換器的原理設(shè)計(jì)一款PET,利用LLC諧振變換器本身的諸多優(yōu)勢達(dá)到提高PET效率的目的。1LLC諧振全橋變換器的工作原理1.1電路結(jié)構(gòu)介紹LLC諧振全橋變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。在工作過程中，勵(lì)磁電感Lm會(huì)出現(xiàn)被鉗位而不參與工作的情況

9、，這就決定了LLC諧振變換器會(huì)有兩個(gè)不同的諧振頻率，一個(gè)是Lm被鉗位時(shí)的頻率，它由諧振電感Lr和諧振電容Cr產(chǎn)生，表達(dá)式為：(1)當(dāng)流過Lr的電流與流過諧振電感Lm的電流相等時(shí)，變壓器就沒有能量傳輸，整流管都會(huì)關(guān)斷，Lm就不會(huì)被副邊電壓鉗位而參與諧振，此時(shí)諧振頻率與勵(lì)磁電感Lm、諧振電感Lr和諧振電容Cr有關(guān)，即：fm一f2幾LJCr對(duì)于LLC諧振全橋變換器來說，可以運(yùn)行在四種工作模式下，假設(shè)工作頻率為fs,它與上面兩個(gè)諧振頻率的大小關(guān)系會(huì)決定變換器工作在什么樣的區(qū)域內(nèi)，顯然fs和fm、fr的關(guān)系有fs<m,fm<fs<fr,fs=fr,fs>fr四種情況。MOSFET

10、,它是單極性器件，所以可以通過在柵極加反偏電壓的方法來降低其關(guān)斷損耗，但是沒有辦法降低其開通損耗，所以MOSFET的開關(guān)損耗主要為開通損耗。由于不能實(shí)現(xiàn)ZVS,所以要避免LLC諧振變換器工作在此頻率范圍內(nèi)。本文對(duì)此頻率范圍內(nèi)變換器的工作情況不做討論分析。1.2.2變換器在fm<fs<fr時(shí)的工作情況當(dāng)變換器工作在fm<fs<fr時(shí)，管子工作在感性開關(guān)模式下，它的電壓相位會(huì)超前電流相位，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，其體二極管已經(jīng)導(dǎo)通，把開關(guān)管兩端電壓鉗位為零，這樣開關(guān)管就實(shí)現(xiàn)了ZVS。圖2給出了變換器在fm<fs<fr時(shí)的工作波形，可將一個(gè)工作周期分成8個(gè)工作階段。由于

11、后半個(gè)周期與前半個(gè)周期的工作過程相似，下面只給出前半個(gè)周期的四個(gè)工作階段的分析如圖3中(a)(d)所示。Vgs+Vintoti12t3t4t516t7t8t圖1LLC全橋變換器原理圖1.2電路的工作原理在分析之前，假設(shè)車出濾波電容Cf無限大，輸出電壓可認(rèn)為是恒定不變的。1.2.1 變換器在fs4m時(shí)的工作情況變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)會(huì)隨著開關(guān)頻率的大小不同而呈現(xiàn)容性或感性阻抗的情況。當(dāng)變換器工作在fs<fm時(shí)，就是容性開關(guān)模式情況10,顯然管子的電壓相位在這種模式下是滯后電流相位的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，其體二極管仍然沒有導(dǎo)通，就不能將開關(guān)管兩端電壓鉗位為零，這樣開關(guān)管就不能實(shí)現(xiàn)ZVS,但當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

12、為零時(shí)，流過管子的電流也為零，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZCS。由于LLC圖2fm<fs<fr時(shí)工作波形圖+VoCf二二R(a)工作階段1(t0t1)(b)工作階段2(tit2)諧振變換器的逆變電路選的開關(guān)管是Lrm駐J工作階段3(t2t3)TD5LrCrCf二.Rj+JDcfr-ZjD3JC3S1S：TS3日:=+Voir與im之間的相位角4為:sin1"(6)IrLr和Cr諧振時(shí)的角頻率為：VinA'LG(d)工作階段4(t3t4)圖3變換器在fm<fs<fr時(shí)前半個(gè)周期工作階段2：當(dāng)t=t1時(shí)，gm,變壓器中沒有能量傳輸，流過D5的電流為零而使其自然關(guān)斷，沒有

13、反向恢復(fù)過程，二極管實(shí)ImnVjT4Lm(4)工作階段1:(totl)：開關(guān)管S1和S4的體二極管在to之前就已經(jīng)導(dǎo)通，所以實(shí)現(xiàn)了ZVSo由圖2可知，諧振電流ir大于勵(lì)磁電流im,兩者之差大于零，經(jīng)過變壓器流入二極管D5使其導(dǎo)通，D6截止。由于輸出電壓的影響，Lm兩端被副邊電壓鉗位，此時(shí)只有Lr和Cr參與諧振，im線性上升，ir也經(jīng)過開關(guān)管Si、S4以正弦形式慢慢變化，輸入能量則通過D5傳給了負(fù)載。因?yàn)閒s<fr,Si、S4會(huì)在ir流經(jīng)半個(gè)周期的諧振時(shí)依舊開通。當(dāng)ir=im時(shí)，D5因沒有電流流過而關(guān)斷，階段1結(jié)束。階段1中的ir、im和整流二極管上的電流id有如下關(guān)系：irIrsin(r

14、t)Lmid(t)ir(t)im(t)式中：n為變壓器變比；Vo為負(fù)載兩端電壓;Ts為變換器的工作周期。im經(jīng)歷了從負(fù)的最大值增加到正的最大值的過程，所以有：現(xiàn)ZCS。因?yàn)樽儔浩髦袥]有能量傳輸，Lm不再被副邊電壓鉗位，而是與Lr、Cr共同參與諧振，因Lm>>Lr,所以諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率，可以近似認(rèn)為這段時(shí)間內(nèi)的ir波形是一條水平直線，并對(duì)Cr不斷充電。當(dāng)S1、S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí)，階段2結(jié)束。工作階段3:在t2時(shí)刻，S1、S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)消失，&、S4關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，由于ir<im,所以流入變壓器的電流改變方向，使彳導(dǎo)D6導(dǎo)通，D5截止，能量通過D6傳給負(fù)載。

15、Lm被鉗位，只有Lr和Cr參與諧振。此階段中ir一直給C1和C4充電，并給C2和C3放電，ir以正弦形式減小，im線性減小，當(dāng)C1和C4上電壓等于輸入電壓，C2和C3上電壓被放到零時(shí)，階段3結(jié)束。工作階段4：在t3時(shí)刻，D2和D3導(dǎo)通，ir不再從C2、C3經(jīng)過，而是通過D2和D3使S2、S3兩端電壓保持為零，為S2、S3實(shí)現(xiàn)ZVS做好準(zhǔn)備。此階段內(nèi)，ir仍小于im,ir以正弦形式繼續(xù)減小，im繼續(xù)線性下降，Lm被鉗位，D6導(dǎo)通，D5截止，能量通過變壓器傳遞到二次側(cè)，并由D6傳遞給負(fù)載。當(dāng)S2、S3驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，此階段結(jié)束。全橋LLC諧振變換器在fm<fs<fr內(nèi)工作時(shí)的輸出電壓為

16、：ir有效值可表達(dá)為：Ir221noim2(5)1IeVo-Vin-(TsTr)(8)n4nCr1.2.3變換器在fs=fr時(shí)的工作情況圖4給出了變換器在fs=fr時(shí)的工作波形。式中：I。為變換器的輸出電流。VGSir/imVdsiD7DiCiIID3C3(工作階段1(t0t1)(b)工作階段2(t1t2)k圖4fs=fr時(shí)工作波形圖由圖4可知，一個(gè)工作周期被分為6個(gè)工作階段，其實(shí)可以看成是變換器在fm<fs<fr內(nèi)工作的一種特殊情況，只不過它的ir與im在一個(gè)周期內(nèi)相交只有一瞬間，而不是一段時(shí)間，所以ir是一個(gè)正弦波。由于缺少了Lm參與諧振過程的兩個(gè)階段，使得口5和口6的電流處在

17、臨界連續(xù)狀態(tài)。這個(gè)頻率范圍內(nèi)，開關(guān)管仍然可以實(shí)現(xiàn)ZVS,同時(shí)，D5和D6可以實(shí)現(xiàn)ZCS,這里不再給出具體工作狀O1.2.4變換器在fs>fr時(shí)的工作情況圖5給出了變換器在fs>fr時(shí)的工作波形,可將一個(gè)工作周期分成6個(gè)工作階段。VgsSiir/iVdsVDtlt2t14t5t6圖5fs>fr時(shí)工作波形圖下面同樣只給出前半個(gè)周期的三個(gè)階段的分析如圖6中(a)(c)所示。工作階段1:在t0時(shí)刻，Si、S4導(dǎo)通，由圖5可知，諧振電流ir大于勵(lì)磁電流im,兩者之差大于零，經(jīng)過變壓器流入二極管D5使其導(dǎo)通，D6截止。Lm被副邊電壓鉗位，此時(shí)只有Lr和Cr參與諧振，im線性上升，ir也經(jīng)

18、過開關(guān)管Si、S4以正弦形式慢慢變化，輸入能量通過D5傳給負(fù)載。當(dāng)S1、S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)消失，階段1結(jié)束。(C)工作階段3(t2t3)圖6變換器在fs>fr時(shí)前半個(gè)周期工作階段2:在t1時(shí)刻，Si、S4關(guān)斷，由于%仍大于im,所以D5仍導(dǎo)通，D6截止，能量通過D5傳給負(fù)載。Lm仍被鉗位，只有Lr和Cr參與諧振。此階段中ir一直給Ci和C4充電，并給C2和C3放電，ir以正弦形式減小，所以流過D5的電流也變小，im仍線性增加，當(dāng)C2和C3上電壓被放到零時(shí)，D2、D3導(dǎo)通，為S2、S3實(shí)現(xiàn)ZVS做好準(zhǔn)備。當(dāng)S2、S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來到時(shí)，階段2結(jié)束。工作階段3：在t2時(shí)刻，S2、S3實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

19、與階段2類似，只是在t3時(shí)刻，出現(xiàn)ir=im,兩者差為零，這一瞬間D5關(guān)斷，階段3結(jié)束。當(dāng)fs>fr時(shí)，管子是工作在感性開關(guān)模式下的，所以可以實(shí)現(xiàn)ZVS。但是Lm在整個(gè)過程中都被副邊電壓鉗位，沒有參與諧振，所以變壓器的就會(huì)持續(xù)工作，D5和D6處于連續(xù)導(dǎo)通模式，不能實(shí)現(xiàn)ZCS,就會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)問題。綜上可知，變換器在fs<m內(nèi)的工作模式為容性的，管子不能實(shí)現(xiàn)零電壓開通。在fm<fs司內(nèi)，諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗呈現(xiàn)感性，不僅開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)ZVS,同時(shí)整流二極管也可以實(shí)現(xiàn)ZCS,是最佳的工作范圍。而當(dāng)fs>fr時(shí)，雖然諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗依然是感性，但是整流二極管不能實(shí)現(xiàn)ZCS,不是理想的工作范

20、圍。所以在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，為了使變換器處在理想的工作范圍內(nèi)，要將工作頻率選定在接近fr處，這樣才能使變換器的效率最大化。質(zhì)因數(shù)Qmax1、Qmax1Qmax2為：2Z2k+Mmax=0.29M1max(15)2LLC全橋變換器的設(shè)計(jì)為了適用于井下常用的電壓等級(jí)，LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)滿足以下設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓氾圍：Vin_minVin_max=190330V,額定輸入電壓：Vin_nom=300V,預(yù)期效率495%輸出電壓：Vo=48V,紋波電壓：AV=240mV,輸出電流：Io=10A,諧振頻率fr=100kHz,k值：6,開關(guān)管的寄生電容Coss：400pF;變壓器繞組和PCB板的等效寄生

21、電容Cstary:100pF,死區(qū)時(shí)間td：300ns。Qmax24td"1"-'RacCZVS(lmaxklmax)lmax0.285(16)所以整個(gè)工作范圍內(nèi)的最大Q為2.1諧振電路參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)分析，為了滿足變換器在輸入電壓Vin_nom時(shí)工作在fr附近，利用此時(shí)的增益Mnom為1,可求得變壓器的理論變比m為：Vinnom300V(Qm=_6.12(9)(VoVf)(48V+1V)式中：式中：Vf為副邊二極管導(dǎo)通壓降，這里取1V。等效電路的最小增益Mmin和最大增益Mmax為：VoVfMmin=m0.91(10)Vin_maxMmaxmVoVF1.58(11)m

22、axVin_maxQzVS0.95minQmax1,Qmax20.27(17)式中：k為激磁電感與諧振電感的比值，一般取37,這里取6；lmax為最大歸一化頻率。根據(jù)諧振特性可以求得諧振參數(shù)為：C1Cr2-40.03nF(18)2frQn2RacLrQRac62.72出(19)2frLmkLr=376.32出(20)根據(jù)原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件可計(jì)算勵(lì)磁電流為：ImVinmax)二1.20A4fmax(LmL)寄生電容的充電電流為:為:(21)取小工作頻率fmin和最大工作頻率fmaxfminfr46.64kHz(12)fr1Mmin156.83kHz(13)基于一次諧波近似(FHA)的分析

23、方法，LLC電路的等效負(fù)載阻抗為：8n2V086.12248Rsc=T=z=145.87(14)Io10式中：n為變壓器理論變比。根據(jù)最大增益的要求，諧振腔最大的品八Vin_max.IpCzvs=0.98A(22)td顯然Im>Ip,符合原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件，設(shè)計(jì)合理。2.2磁集成變壓器設(shè)計(jì)LLC諧振變換器的集成思路是：把諧振電感和勵(lì)磁電感集成到變壓器中，充分利用變壓器的漏感和激磁電感。但在實(shí)際制作中，很難將變壓器的寄生參數(shù)控制很小，尤其在高頻和超高頻的場合下，這些參數(shù)會(huì)對(duì)運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生不利影響。而用磁集成思路來對(duì)LLC諧振變換器進(jìn)行磁集成，正好利用了這些很難做小的參數(shù)，將變壓器

24、的漏感用作Lr,變壓器的勵(lì)磁電感用作Lm,這樣就把不利的因數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣臈l件，而且不用額外增加兩個(gè)電感，使得變換器的體積大大減小。下面首先用AP法11確定變壓器磁芯的型號(hào)，公式如下PT1041.14(23)電壓為最大的輸入直流電壓，即電壓的峰值為：MOSFETKoKfKjfsBw式中：Ae為磁芯的有效橫截面積；Aw為線圈窗口面積；Pt為變壓器視在功率，隨線路結(jié)構(gòu)不同而不同，本文變壓器副邊采用中心326V(28)MOSFET電流的峰值為:抽頭結(jié)構(gòu)，故取：PT=Po(1/兩，單位W；Idsmax®_rms=3.17A(29)Ko為窗口使用系數(shù)，取Ko=0.3;Kf為波形系數(shù)，正弦波時(shí)為4

25、.44,方波時(shí)為4,這里取4;Kj為電流密度，這里取Kj=400/cm2；Bw為工作磁通密度，取Bw=0.15T。把數(shù)據(jù)帶入上式，得1.14480(1/0.951044(24、AP=.=1.76cm4(24)0.34400100k0.15按耐壓值1.5倍的裕量，電流值2倍裕量，最終選擇英飛凌推出的CoolMOS-IPW65R041CFD，其耐壓為650V,最大導(dǎo)通電阻僅0.041Qo整流二極管要在高頻環(huán)境下實(shí)現(xiàn)ZCS,普通二極管很難達(dá)到，所以要選擇快恢復(fù)二選用TDK的ETD39磁芯，其AP=3.2125cm4,Ae=1.25cm2,Aw=2.57cm2,極管，它承受的最大反向電壓為輸出電壓的兩

26、倍，即AB=0.3To把次級(jí)漏感歸算到初級(jí)，可以得到變壓器的實(shí)際變比n為：Vd=2Vo96V流過二極管電流的最大值(30)k1m.V6.61(25)IDmax='Z21sRMS11.1A考慮留有一定的裕量后,(31)最終選擇為:根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以得到次級(jí)匝數(shù)MUR2020作為輸出整流二極管，其最大耐壓值為200V,能承受的最大平均電流為Ns=Vo+Vf2fminBAe14.01匝(26)取整，得次級(jí)匝數(shù)為14匝。根據(jù)變壓器變比可求得初級(jí)匝數(shù)為：Np=nNs=92.59匝(27)取初級(jí)匝數(shù)為92匝?？紤]到趨膚效應(yīng)的影響，原邊采用0.1mm的漆包線，64股并繞；副邊選用63股0.2mm的

27、漆包線并繞。不僅滿足了電流的應(yīng)力，同時(shí)降低了由趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的損耗。在以上對(duì)諧振參數(shù)的設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，變壓器的勵(lì)磁電感和漏感大小是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，為了盡量增大變壓器的漏感，使其滿足諧振電感Lr的要求，必須要減小原副邊的耦合度，為了達(dá)到要求，可以采用分槽骨架與擋墻相結(jié)合的方法。2.3 開關(guān)管和整流二極管選取在全橋變換器中，開關(guān)管所承受的最大20A,Vf=1.0Vo2.4 輸出電容設(shè)計(jì)從全橋LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作原理可知，其輸出只需要電容濾波，而電容值的大小與輸出電壓紋波緊密相關(guān)。當(dāng)期望紋波AV不大于240mV時(shí)，輸出電容被確定為：_1oTs_max_Co=890pF(32)V式中：加為期

28、望紋波值，V；Ts_max為最大開關(guān)周期即最小工作頻率fmin對(duì)應(yīng)的周期。為了盡可能多的降低電容上的損耗，這里選低ESR的電容。此處選取NipponChemi-Con低ESR的1000曠的電解電容，其耐壓值為63V,ESR為0.019Qo則實(shí)際紋波值為：V2|c_rmsRes=0.092V(33)Ic_rms為流過電容的電流有效值，可以通過下式求得：(34)因此，變壓器總的損耗為:PtransButransBoretrans12.41.113.5Wiianscu,iianscoie,iians(41)因此，輸出電壓的紋波達(dá)到預(yù)期的要求。2.5損耗及效率計(jì)算1 .MOSFET損耗計(jì)算因該設(shè)計(jì)運(yùn)用

29、了軟開關(guān)技術(shù)，故此電路系統(tǒng)的開關(guān)損耗為零，MOSFET的損耗就只有其導(dǎo)通損耗，其值為：Pcond.mosfet.2Id,rmsRonD=0.1W(35)式中：Ron為MOSFET導(dǎo)通電阻最大值0.041QId,rms為通過MOSFET的電流有效值2.24A,D為占空比0.5。2 .二極管損耗計(jì)算通過二極管的平均電流為Id,avg=Io=10A,有效電流為Id,rms=7.85A。選用的二極管的正向?qū)▔航礦f為1.0V,則導(dǎo)通損耗為：d、Pcond,diodeId,rmsVF(1-)5.8W(36)2二極管反向恢復(fù)電流的峰值4.系統(tǒng)效率計(jì)算變換器的總損耗為PFP,F194Wlossmosfet

30、diodetrans效率為:Po100%96.12%PFloss(42)(43)可以看出系統(tǒng)在整個(gè)過程中的效率達(dá)到了所要求的數(shù)量值，說明了器件選型和數(shù)據(jù)取舍是合理的。3仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1磁集成變壓器仿真與分析變換器中的磁性元件的設(shè)計(jì)一直以來都是難點(diǎn)，同樣也是關(guān)鍵點(diǎn)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，本文采用了磁性元件仿真軟件PEmag和Maxwell對(duì)變壓器設(shè)計(jì)進(jìn)行建模仿真，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出滿足要求的變壓器。IRmax=10|iA,反向偏置電壓VRmax=140V,電流從零達(dá)到反向電流峰值的時(shí)間與從反向電流峰值到恢復(fù)電流為正經(jīng)歷的時(shí)間近似相等為trr1=trr2=35ns。則關(guān)斷損耗為：Psw,dio

31、de1.,.fVFIRmaxtrr1fs21.24106W1.IRmaxVRmaxtrr2fs4(37)因此，二極管的總損耗為:RodeBond,diode+,diode5.8W(38)3.變壓器損耗計(jì)算由原副邊電流有效值分別為Ip_rms=2.24A,Is_rms=7.85A得變壓器銅損為：PCu,transRcu1Ip_RMSRu2Is_RMS2jMKip_RMS2jN2Ks_RMS(39)12.4W圖7變壓器結(jié)構(gòu)仿真剖面圖選用TDK公司的ETD39型號(hào)的磁芯及配套的分槽骨架來對(duì)磁集成變壓器進(jìn)行仿真。原副邊匝數(shù)分別為90匝和14匝，原邊采用的漆包線，64股并繞；副邊選用63股的漆包線并繞，

32、變壓器氣隙為0.36mm。圖7為變壓器的剖面圖，它是依據(jù)上面條件在PEmag中建模得到的。為了達(dá)到調(diào)節(jié)漏感的目的，實(shí)際繞制時(shí)可以采用分槽骨架與擋墻相結(jié)合的方法。變壓器的磁芯損耗為:Pcore,transfeqBpeakVe1.1W(40)圖8初級(jí)繞組漏感仿真圖8給出了變壓器初次級(jí)漏感的仿真結(jié)果，從圖中可以看出初級(jí)漏感的大小為62,1IIH,與理論得到的Lr=62,72月H相比,誤差為0.99%,在允許范圍內(nèi)。(a)初級(jí)繞組(b)次級(jí)繞組圖9變壓器初次級(jí)繞組仿真圖9給出了變壓器初次級(jí)繞組的仿真結(jié)果，從圖中可以看：初級(jí)繞組電感的大小為380科H,相比較勵(lì)磁電感Lm的計(jì)算值376.32科口誤差為0.

33、98%,也在誤差范圍內(nèi)。次級(jí)繞組電感的大小為8.67科H相比次級(jí)繞組電感Lm的計(jì)算值8.61pH符合誤差要求。3.2PET模型仿真在Matlab/Simulink下搭建的將全橋LLC諧振變換器應(yīng)用于PET中的系統(tǒng)仿真模型。PET仿真參數(shù)為：(1)輸入環(huán)節(jié)輸入交流電壓為220V(±5%V),輸入濾波電感8mH,額定輸出直流電壓為300V,輸出濾波電容1100F；(2)中間環(huán)節(jié)DC-DC變換器輸出給定參考電壓為DC48V,輸出濾波電容890pF;(3)輸出環(huán)節(jié)輸出工頻三相線電壓50V,功率460W,濾波電感0.4mH,濾波電容32曠，負(fù)載為三相純阻性負(fù)載。0.4K0<35Q7141

34、50+5。俯0*D47t(b)DC-DC變換器輸出電壓及負(fù)載三相電壓圖6變換器在f-f時(shí)前半個(gè)周期圖10(a)中的u、i和Vdc1分別為輸入環(huán)節(jié)輸入的電壓和電流以及輸出的直流電壓，為了方便比較，這里的電流波形擴(kuò)大了5倍；圖10(b)中的Vdc2以及uab、Ubc、uca分別為DC-DC變換器輸出的直流電壓及負(fù)載三相電壓。從仿真結(jié)果可以看出220V交流電壓輸入，經(jīng)過可控整流電路后輸出300V左右直流電壓，再經(jīng)過DC-DC變換器后輸出48V左右直流電壓，最后經(jīng)過三相逆變電路輸出三相正弦交流電壓，可見將全橋LLC諧振變換器應(yīng)用于PET中可以實(shí)現(xiàn)基本的電壓變換與能量輸出的功能。3.3PET實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)

35、設(shè)計(jì)參數(shù)研制了一臺(tái)基于全橋LLC諧振變換器的PET樣機(jī)，其實(shí)物圖如圖11所示。器的輸出紋波電壓波形。由圖可知，此時(shí)輸出紋波電壓值小于200mV，滿足設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)定的紋波值范圍。圖11PET硬件平臺(tái)實(shí)物圖50mV/div25us/div一Ifl-B-2rt.To守H1JJ?4IKHa-J輸入環(huán)節(jié)輸入電壓、電流及輸出電壓圖13滿載情況下輸出紋波電壓圖14給出了實(shí)驗(yàn)裝置在不同條件下的效率曲線圖。由圖14(a)可知，在滿載情況下，隨著輸入電壓的增大效率也會(huì)提高，但是當(dāng)輸入電壓超過額定輸入電壓時(shí)，效率反而會(huì)降低，這是由于輸入電壓超過額定輸入電壓時(shí)工作頻率就會(huì)大于諧振頻率，即fs>fr,而這會(huì)讓整流二

36、極管實(shí)現(xiàn)ZCS受到影響，所以會(huì)降低。由圖14(b)可知，在額定輸入電壓下，隨著輸出電流的增大，效率也不斷提高，當(dāng)達(dá)到額定輸出電流時(shí)，效率最高?？梢钥闯?，無論什么條件下，效率都在93%以上，略低于計(jì)算值，這主要是由變壓器損耗的實(shí)際測試與理論計(jì)算有偏差造成的?？芍?，本文研究的DC-DC變換器滿足設(shè)計(jì)要求。(b)DC-DC變換器輸出電壓及負(fù)載三相電壓圖12PET實(shí)驗(yàn)波形圖12(a)中的u、i和Vdc1分別為輸入環(huán)節(jié)的交流輸入電壓和電流以及輸出的直流電壓；圖12(b)中的Vdc2和uab、ubc、uca分另lj為DC-DC變換器的輸出電壓及PET負(fù)載三相電壓。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出220V左右交流電壓輸入，經(jīng)過可控整流電路后輸出300V左右直流電壓，再經(jīng)過DC-DC變換器后輸出48V左右直流電壓，最后經(jīng)過三相逆變電路輸出三相正弦交流電壓。可見，將全橋LLC諧振變換器應(yīng)用于PET中可以實(shí)現(xiàn)基本的電壓變換與能量輸出的功能。圖13給出了滿載情況下，DC-DC變換效率一"爭1WV230V26DV300V二觀V論人串任(a)不同輸入電壓10A負(fù)載效率一軟聿92.00%2A4AfiA&A1UA物出現(xiàn)流(b)300V輸入不同輸出電流圖14變換器效率曲線圖4結(jié)語5241-5246.本文從LLC諧振全橋變換器的工作原理出發(fā)，分析了其工作于最佳條件下的情況，確定了變