兩電感一電容諧振變換器的仿真分析

兩電感一電容諧振變換器的仿真分析

0仿真及性能分析近年來，兩種傳感器、一種接地電阻色散變換裝置（rc）的結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，并通過簡化、高效、寬域輸入和軟開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)來引起了許多專家和科學(xué)家的注意。由于LLC諧振變換器要設(shè)置的參數(shù)比較多,有諧振電感Lr,諧振電容Cr,勵(lì)磁電感Lm,參數(shù)選擇的自由度高,使得該類變換器的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作變得非常復(fù)雜而耗時(shí)。市面的仿真軟件非常多,而且功能都非常強(qiáng)大,如Matlab,Pspice等,另一仿真軟件SABER與其他電路仿真軟件相比,其具有更豐富的元件庫和更精確的仿真描述能力,仿真真實(shí)性更好。加之其在國內(nèi)不斷推廣,特別是在電源領(lǐng)域的先天優(yōu)勢(shì),借助其強(qiáng)大的仿真功能既可以節(jié)省人力,也能夠縮短電源產(chǎn)品的上市時(shí)間。文獻(xiàn)利用SIMPLIS仿真工具進(jìn)行LLC電路的仿真分析和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),但是目前SIMPLIS軟件在國內(nèi)推廣不夠。Pspice軟件在LLC方面的仿真得到了大量應(yīng)用,但是電力電子方面的模型不如SABER豐富,其收斂性能也不如SABER,給仿真帶來了非常多的不便。目前,用SABER軟件設(shè)計(jì)LLC諧振變換器的仿真分析尚不多見,基于此,提出一種用SABER仿真軟件輔助設(shè)計(jì)LLC電路的方法。1諧振頻率比較圖1示出LLC半橋諧振變流器的拓?fù)?。初?jí)為半橋結(jié)構(gòu),諧振電感Lr、諧振電容Cr和變壓器勵(lì)磁電感Lm組成諧振電路。次級(jí)由整流二極管D1,D2和輸出濾波電容C3組成。該變流器采用變頻控制(PFM),有兩個(gè)諧振點(diǎn),Lr,Cr的串聯(lián)諧振頻率為:fr=1/(2πLrCr?????√)fr=1/(2πLrCr)當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)由Lm,Lr和Cr組成,其串聯(lián)諧振頻率為:fo=1/2π(Lr+Lm)Cr???????????√fo=1/2π(Lr+Lm)Cr令fs是變換器的工作頻率。對(duì)于一般的諧振變換器電路,如串聯(lián)諧振(SRC)和并聯(lián)諧振(PRC),都希望電路工作在諧振頻率上獲得最大的效率。當(dāng)電路工作頻率小于諧振頻率時(shí),電路將工作在零電流開關(guān)(ZCS)的狀態(tài),不適合MOS管的工作。為了保證開關(guān)管總是工作在零電壓開關(guān)(ZVS)狀態(tài),在設(shè)計(jì)變換器的時(shí)候要留有足夠的余量。因此,這樣的諧振電路一般都不能夠工作在最佳的諧振狀態(tài)。對(duì)于LLC諧振變換器電路,當(dāng)工作頻率大于諧振頻率時(shí),LLC電路的工作狀態(tài)和串聯(lián)諧振(SRC)相似;當(dāng)工作頻率在兩個(gè)諧振頻率之間時(shí),即fo<fs<fr,該種電路出現(xiàn)了其他的諧振電路都沒有的工作狀態(tài)。不管工作頻率比諧振頻率高還是低,即ZVS狀態(tài)總是可以實(shí)現(xiàn)。所以在設(shè)計(jì)過程中沒有必要考慮為電路留有太多的余量,而且電路總是能夠工作在諧振頻率附近,從而得到高效率。用SABER仿真fo<fs<fr這種狀態(tài),得到電路的主要工作波形如圖2所示。2u3000變壓器參數(shù)的確定選擇LLC的參數(shù),關(guān)鍵就是要保證電路在全范圍電壓輸入的情況下,從空載到滿載都能保證電路工作在ZVS狀態(tài)。先通過計(jì)算選擇兩組參數(shù)(可以選擇更多組,分別用SABER仿真選擇最優(yōu)者),然后用SABER仿真選擇其中的最優(yōu)組。令Uin_min=80V;Uin_max=120V;Uin_nor=110V;Uout=24V;Iout=21A;整流二極管導(dǎo)通壓降Uf=1V。考慮到輸入電壓,電流比較大,導(dǎo)通損耗比較大,過高的開關(guān)頻率將產(chǎn)生過多的開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗不利于整體效率的提高,所以取諧振頻率fr=60kHz;設(shè)k=Lm/Lr,Lrm=Lr+Lm。參數(shù)數(shù)目多,選擇參數(shù)的方法也比較多。但是對(duì)每個(gè)要設(shè)計(jì)的變換器,有一組參數(shù)是最佳的,要判斷哪組參數(shù)最佳,只能試驗(yàn)調(diào)試。這里通過用SABER仿真來選擇一組相對(duì)最佳參數(shù),試驗(yàn)調(diào)試可以在這組參數(shù)上做微小的變動(dòng)以尋找到最佳的參數(shù)?？紤]到導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及輸入電壓為110V,推薦的k一般選3到7之間,選擇k=4。確定變壓器匝比n:n=Uin_minDUout+Uf=2.4n=Uin_minDUout+Uf=2.4式中D是占空比,取0.5。變壓器次邊的等效負(fù)載Re為:Re=8π2n2Uout+UfIo=5.558kΩRe=8π2n2Uout+UfΙo=5.558kΩ變換器在正常輸入110V滿載的電壓增益應(yīng)為1,其必要條件為frfo=1+k????√frfo=1+k參數(shù)組1:以最大效率為設(shè)計(jì)的條件。品質(zhì)因素QL取如下值時(shí)效率最高。QL1=fr/fo1+1k=1.789QL1=fr/fo1+1k=1.789,求得對(duì)應(yīng)的參數(shù)如下:Cr1=QL12πfoRe=1.909μFCr1=QL12πfoRe=1.909μFLrm1=Re2πfoQL1=18.429μHLrm1=Re2πfoQL1=18.429μΗLr1=1kLrm1=4.607μHLr1=1kLrm1=4.607μΗLm1=k1+kLrm1=13.822μHLm1=k1+kLrm1=13.822μΗ參數(shù)組2:QL選得越小,帶負(fù)載能力越強(qiáng),選取QL=1,計(jì)算參數(shù)如下。QL2=1Cr2=QL22πfoRe=1.067μFCr2=QL22πfoRe=1.067μFLrm2=Re2πfoQL2=32.968μHLrm2=Re2πfoQL2=32.968μΗLr2=1kLrm2=8.242μHLr2=1kLrm2=8.242μΗLm2=k1+kLrm2=24.726μHLm2=k1+kLrm2=24.726μΗ從而得到了兩組參數(shù)。接下來用saber仿真的方法比較兩組參數(shù),判斷最優(yōu)者。3saber仿真結(jié)果根據(jù)變換器要選擇仿真元件模型,如果SABER的模型庫中沒有對(duì)應(yīng)的模型,可以選擇參數(shù)相近的模型,主要模型見列表1。用表1中的模型和其他一些常見的模型搭建整體電路如圖3。仿真前對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置:(1)仿真時(shí)間取電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間。在直流變換電路中,達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間受輸出濾波電容影響很大。為了節(jié)省仿真時(shí)間,可以把輸出濾波電容的初值設(shè)置為比預(yù)想穩(wěn)定時(shí)候的電壓低幾伏。這里取仿真時(shí)間為5ms。(2)步長一般取不大于開關(guān)周期的1/300,本電路中取10ns。(3)截?cái)嗾`差取0.00001。另外,在動(dòng)態(tài)仿真前先進(jìn)行靜態(tài)仿真,并仿真結(jié)束后自動(dòng)彈出波行圖。用SABER分別仿真兩種參數(shù)在最低電壓輸入帶滿載時(shí),發(fā)現(xiàn)輸出Uout在開環(huán)的時(shí)候都達(dá)不到24V,所以減少匝比,把匝比定為2,即n=2。重新計(jì)算參數(shù)。Re=8π2n2Uout+UfIo=3.86kΩRe=8π2n2Uout+UfΙo=3.86kΩ參數(shù)組3:QL3=fr/fo1+1k=1.789QL3=fr/fo1+1k=1.789Cr3=QL32πfoRe=2.749μFCr3=QL32πfoRe=2.749μFLrm3=Re2πfoQL3=12.798μHLrm3=Re2πfoQL3=12.798μΗLr3=1kLrm3=3.2μHLr3=1kLrm3=3.2μΗLm3=k1+kLrm3=9.598μHLm3=k1+kLrm3=9.598μΗ參數(shù)組4:QL4=1Cr4=QL42πfoRe=1.537μFCr4=QL42πfoRe=1.537μFLrm4=Re2πfoQL4=22.894μHLrm4=Re2πfoQL4=22.894μΗLr4=1kLrm4=5.724μHLr4=1kLrm4=5.724μΗLm4=k1+kLrm4=17.17μHLm4=k1+kLrm4=17.17μΗ在三種狀態(tài)下輸入滿載穩(wěn)壓后,參數(shù)組3和參數(shù)組4比較如下:比較圖4(a)和圖4(b),由參數(shù)組3的諧振電流和勵(lì)磁電流波形圖可知,參數(shù)組3在低壓輸入滿載的時(shí),電路工作在了ZCS區(qū)域,沒有實(shí)現(xiàn)零電壓開通,而參數(shù)組4仍然是工作在ZVS區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。對(duì)同樣的反饋回路,比較圖5(a)和圖5(b),參數(shù)組3的反饋調(diào)整相對(duì)于參數(shù)組4過大,達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間要長。由圖5(b),參數(shù)組4更加適合選擇的反饋回路參數(shù),MOS管實(shí)現(xiàn)了零電壓開通,工作頻率正好在諧振頻率附近。取兩組參數(shù),比較圖6(a)和圖6(b),電路在最高電壓輸入空載時(shí)工作情況差不多。綜上,選擇參數(shù)組4作為實(shí)物調(diào)試時(shí)的參數(shù)。4諧振電容的確定根據(jù)仿真時(shí)搭建的電路,以參數(shù)組4為依據(jù),控制和驅(qū)動(dòng)部分電路板卡照片如。LLC諧振電路的關(guān)鍵是變壓器的設(shè)計(jì),由于勵(lì)磁電感和諧振電感都比較小,相對(duì)于一般的變換器,不能在變壓器原邊設(shè)計(jì)過多的匝數(shù),否則要增加的氣隙很大,不利于控制磁心的溫升。把諧振電感Lr做到變壓器內(nèi)部,既節(jié)省成本,又減小了變換器體積。確定原邊匝數(shù)為10匝,采用外徑為0.38mm的漆包線12根并繞,注意到次級(jí)是采用中心抽頭的全波整流方式,所以次級(jí)為5匝+5匝,采用雙線并繞的方式使兩組的漏感平衡,選擇外徑為0.38mm的漆包線24根并繞。經(jīng)過調(diào)整氣隙,當(dāng)氣隙為1.5mm時(shí),用LCR數(shù)字電橋設(shè)定測(cè)試頻率為60kHz測(cè)試得勵(lì)磁電感為20μH、諧振電感即原邊漏感為5μH。選1μF1000V、0.47μF1000V、0.047μF1000V三個(gè)CBB電容并聯(lián)做為諧振電容。該變換器在80V輸入帶80%的額定負(fù)載時(shí),測(cè)得效率為91%,在高于80V的電壓輸入帶80%額定負(fù)載時(shí),效率為94%以上。