一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，首先根据设计要求对其参数进行了设置，然后计算所述谐振变换器的原边峰值电流Ipk以及流过输出电容电流有效值Ic_rms并计算输出短路时最大释放能量Wmax，最后对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压与预期纹波电压进行评判判断，若所述LLC谐振变换器的输出是满足本质安全的且满足纹波电压的要求，则设计结束，否则重新设计。本发明专利技术设计方法可适用于具有隔离要求的本安应用场合，采用LLC拓扑结构，实现了开关管的ZVS开通以及副边二极管的ZCS关断，提高了变换器的效率，在提高电源的电磁兼容性能的同时，保证了变换器的本质安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法
本专利技术涉及一种在煤炭、石油、化工等领域应用的DC-DC变换器，尤其涉及一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法。
技术介绍
传统的隔爆型电气设备的防爆手段是将可能产生电火花的电路部位全部封装于隔爆外壳中，但外壳并非完全封闭，只是在结合部保持一定宽度和间隙。当壳内气体混合物发生爆炸时，不仅外壳的强度能承受爆炸时的压力，而且自间隙逸出的电火花已减弱到不能引起环境气体爆炸的强度。如果电路开关设备功率大，控制元件多，则隔爆外壳将大而笨重。作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，本质安全电气设备则摆脱了笨重的隔爆外壳，因而重量轻、体积小、节约大量钢材、价格低、制造维修方便，在石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物的环境中广泛应用。根据标准GB3836.4的规定，本质安全电气设备通过将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能点燃的水平来达到防爆的目的。本安防爆技术的基本原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证电气设备在正常工作或发生短接、元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不至于引起其周围可能存在的危险气体爆炸。现有的本安型DC-DC变换器多是采用线性电源实现。线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，这与本安防爆电源需要限制输出能量存在设计上的矛盾。而且线性电源电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。另外，目前在本安开关变换器方面的研究与应用主要集中在BUCK等非隔离变换器，不能很好的适应于具有隔离要求的本安应用场合。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提出一种本安型LLC谐振变换器的设计方法，它采用LLC拓扑结构，每个开关管承受最大输入电压，并且能够实现开关管的ZVS开通以及副边二极管的ZCS关断，提高了变换器的效率。另外，高频变压器的使用大大减小了整个装置的体积，在实现降低开关损耗，提高电源的电磁兼容性能的同时，保证变换器的本质安全性能。一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，包括以下步骤：步骤1：根据设计要求，设定如下参数：输入电压范围Vin_min～Vin_max，额定输入电压Vin_nom，输出电压Vo，期望纹波电压ΔV1，输出电流Io，输出功率Po，电感系数k；步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率fr，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值Ipk以及流过输出电容的电流有效值Ic_rms；步骤3：根据步骤2设定的谐振频率fr、以及计算得到的Ipk、Ic_rms计算输出短路时最大释放能量Wmax；步骤4：对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压值ΔV2进行评判判断，若所述谐振变换器的输出满足本质安全，且实际纹波值ΔV2在期望纹波值ΔV1以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。进一步地，如上所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，步骤2中谐振频率fr设定为100kHz，额定输入时变换器工作在fr附近，所述原边电流峰值Ipk计算公式如下：所述步骤2中流过输出电容的电流有效值Ic_rms计算公式如下：其中，Vo为输出电压，n为变压器变比，RL为负载电阻，fr为谐振频率，Lm为励磁电感，Io为输出电流。进一步地，如上所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，步骤4中判断谐振变换器的输出是否满足本质安全的条件包括：LLC谐振变换器的等效电容Ce小于临界点燃电容CB，即Ce<CB，则开关变换器的输出是本质安全的；其中，LLC谐振变换器的等效电容Ce根据下式得到：CB为根据国标GB3836.4的要求，需在电压上考虑到安全系数K，则对于输出电压为Vo的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KVo对应的临界点燃电容。进一步地，如上所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，步骤4中所述实际纹波值ΔV2计算公式如下：ΔV2＝Ic_rmsResr其中，Ic_rms为流过输出电容的电流有效值，Resr为输出滤波电容的等效串联电阻。有益效果：由于采用了上述技术方案，本专利技术能很好的适应于具有隔离要求的本安应用场合，而且能够实现开关管的ZVS开通以及副边二极管的ZCS关断，消除了二极管反向恢复产生的损耗，提高了变换器的效率，同时高频变压器的使用大大减小了整个装置的体积，在实现降低开关损耗，提高电源的电磁兼容性能的同时，保证变换器的本质安全性能。附图说明图1为本专利技术输出本安型LLC谐振变换器设计方法流程图；图2为是LLC谐振变换器的原理图；图3是工作在fr附近时LLC谐振变换器的谐振网络电流波形图；图4是LLC谐振变换器的输出短路实验简化图；图5是输出短路火花放电等效简单电容电路图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术输出本安型LLC谐振变换器设计方法流程图，如图所示，本专利技术提供的设计方法包括以下步骤：步骤1：根据设计要求，设定如下参数：输入电压范围Vin_min～Vin_max，额定输入电压Vin_nom，输出电压Vo，期望纹波电压ΔV1，输出电流Io，输出功率Po，电感系数k；步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率fr，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值Ipk以及流过输出电容的电流有效值Ic_rms；所述谐振频率fr既要考虑到管子的承受能力也要考虑到实际效果，一般会选择在50～300kHz之间，本专利技术在此处选择fr为100kHz；步骤3：根据步骤2设定的谐振频率fr、以及计算得到的Ipk、Ic_rms计算输出短路时最大释放能量Wmax；步骤4：对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压值ΔV2进行评判判断，若所述谐振变换器的输出满足本质安全，且实际纹波值ΔV2在期望纹波值ΔV1以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。本专利技术这样设计的原因就是考虑最恶劣的情况下，即最大输出短路能量时的等效电容如果小于临界点燃电容，那么在任何情况下都是满足的。对于LLC的设计文章有很多，但它们都不是从输出本安角度来设计的，而本专利技术正利用这一点设计一款输出本安型LLC谐振变换器，它是可以在矿井等容易发生爆炸事故场合应用的，又恰好充分利用了LLC变换器的诸多优点。而输出纹波的大小很大程度地决定了本安性能的好坏，所以又要同时考虑纹波的大小。下面对本专利技术的设计方法进行解释阐述：图2为LLC谐振变换器的原理图，如图2所示，其中Vin是输入电压，ir为谐振网络电流，im为励磁电流，Io为输出电流，Ir_rms为流过输出电容的电流有效值，Q1、Q2为两个功率开关管，DQ1、DQ2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据设计要求，设定如下参数：输入电压范围Vin_min～Vin_max，额定输入电压Vin_nom，输出电压Vo，期望纹波电压ΔV1，输出电流Io，输出功率Po，电感系数k；步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率fr，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值Ipk以及流过输出电容的电流有效值Ic_rms；步骤3：根据步骤2设定的谐振频率fr、以及计算的Ipk、Ic_rms计算输出短路时最大释放能量Wmax；步骤4：对所设计的LLC谐振变换器的输出本质安全性能和实际纹波电压值ΔV2进行评判判断，若所述谐振变换器的输出满足本质安全，且实际纹波值ΔV2在期望纹波值ΔV1以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。

【技术特征摘要】
1.一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据设计要求，设定如下参数：输入电压范围Vin_min～Vin_max，额定输入电压Vin_nom，输出电压Vo，期望纹波电压ΔV1，输出电流Io，输出功率Po，电感系数k；步骤2：根据步骤1中的参数设定谐振频率fr，选择工作区域，计算LLC谐振变换器的原边电流峰值Ipk以及流过输出电容的电流有效值Ic_rms；谐振频率fr设定为100kHz，额定输入时变换器工作在fr附近，所述原边电流峰值Ipk计算公式如下：流过输出电容的电流有效值Ic_rms计算公式如下：其中，Vo为输出电压，n为变压器变比，RL为负载电阻，fr为谐振频率，Lm为励磁电感，Io为输出电流；步骤3：根据步骤2设定的谐振频率fr、以及计算的Ipk、Ic_rms计算输出短路...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月森，贺威，曾羿博，杜朋，陈贺贺，陈小强，周娟，钱建生，
申请(专利权)人：中国矿业大学盱眙矿山装备与材料研发中心，中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32