一种LLC_DCX谐振参数系统设计方法

一种llc_dcx谐振参数系统设计方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种考虑寄生电容的llc_dcx谐振参数系统设计方法。


背景技术：

2.llc_dcx变换器因其电气隔离和电压增益稳定而广受欢迎，使其成为城市轨道列车中大功率变换器的理想选择。由于在功率变换器中使用碳化硅(sic)器件，开关频率逐渐增加，寄生参数会对zvs产生影响。在进行开通和关断时，开关管的电压和电流会有一个交叠区产生损耗。在一定的条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比。为了在高频化的应用场合中降低开关管的开关损耗，提高电源的效率，目前最常用的为变换器的软开关技术，即利用电感和电容对开关的开关轨迹进行整形。但针对电路的分析都基于理想状态，即忽略电感和电容等本身的寄生参数对于电路产生的影响。
3.目前大部分文献很少分析寄生电容对于软开关过程的影响，忽略了寄生电容在不同模态下会导致软开关失败，最终造成损耗增加，效率降低。在实际中，开关器件寄生参数尤其是寄生电容在高频llc变换器的设计中是需要纳入考虑范围的重要参数。有关谐振参数的提取，需要搭建双脉冲实验平台进行测试，并且仅能对单个功率器件的寄生电容进行提取。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明提出一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，包括下述步骤：
5.分析电路模态；
6.计算谐振电容cr；
7.计算谐振电感lr；
8.计算励磁电感lm的取值范围；
9.计算励磁电感电流ilm(t)，谐振电容电压vcr(t)，谐振电感电流ilr(t)；
10.验证是否满足vcr(t)，ilr(t)的限制条件：
11.ilr(t)《ilr_max且vcr(t)《vcr_max。
12.在上述方案的基础上，所述分析电路模态具体是：
13.将电路的工作状态分为4个模态，分别为：
14.模态1：[t0,t1]，原边开关器件正向导通阶段；
[0015]
模态2：[t1,t2]，原边开关器件正向导通，谐振电容cr、谐振电感lr、励磁电感lm谐振状态；
[0016]
模态3：[t2,t3]，原边开关器件关断、寄生电容放电阶段；
[0017]
模态4：[t3,t4]，原边开关器件关断、谐振电容cr、谐振电感lr、励磁电感lm通过二
极管续流阶段；
[0018]
其中，n为电路中变压器的变比。
[0019]
在上述方案的基础上，所述计算励磁电感lm的取值范围具体为：
[0020][0021]
其中，cq为原边二极管结电容，cd为副边二极管结电容，fs为开关频率，fr为谐振频率，pin为输入功率，td为死区时间。
[0022]
在上述方案的基础上，所述计算励磁电感lm的简化式为：
[0023]
lm＜(nv
out
td)/(8f
rcqvin
)
[0024]
在上述方案的基础上，励磁电感电流ilm(t)，谐振电容电压vcr(t)，谐振电感电流ilr(t)的计算方法为：
[0025][0026]
其中，vcq3为原边结电容电压。
[0027]
在上述方案的基础上，所述限制条件具体为：
[0028]
谐振电容在该t0-t1时间段内最大谐振电流为icr_max，最大谐振电压为vcr_max，其中icr_max与ilr_max等效，icr_max与vcr_max二者的关系如下：
[0029][0030]
本发明的有益效果：
[0031]
1、本发明采取的模态分析方法更加简单清晰，适用于工程实际。
[0032]
2、在llc变换器中，考虑了寄生电容对电路正常运行的不良影响。
[0033]
3、通过原副边结电容产生影响的对比分析，对实际电路的设计有更大的参考价值。
附图说明
[0034]
本发明有如下附图：
[0035]
图1为全桥llc电路拓扑图；
[0036]
图2为模态1电路模型；
[0037]
图3为模态2电路模型；
[0038]
图4为模态3电路模型；
[0039]
图5为模态4电路模型；
[0040]
图6为考虑副边结电容的llc电路模型(模态3)等效电路；
[0041]
图7为模态分析图；
[0042]
图8为谐振参数设计流程图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、优点和特征更加显而易见，下面结合附图1-8和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。
[0044]
如图1所示，为全桥llc拓扑图。从左往右，分别是逆变电路、谐振电路、整流电路。
[0045]
以下，对上述电路的工作模态进行分析。
[0046]
模态1：[t0,t1]
[0047]
如图2所示，原边q1、q4正向导通，谐振电容cr与谐振电感lr发生谐振，谐振电流ilr近似为正弦波，励磁电感lm通过输出电压vo而被钳位在nvo，流过励磁电感的电流ilm因其电压恒定而成线性变化，cr与lr的谐振频率fr：
[0048][0049]
t0-t1内的励磁电流值：
[0050][0051]
t0-t1时间段内的谐振电容的电压电流均达到谐振峰值，故分析该峰值作为全周期时间段内的上限值。设谐振电容在该时间段内最大谐振电流为icr_max，最大谐振电压为vcr_max，其中icr_max与ilr_max等效，icr_max与vcr_max二者的关系如下：
[0052][0053]
模态2：[t1,t2]
[0054]
如图3所示，在[t1,t2]时间段内，电路开始进入三元件谐振状态，此时原边mosfet并未立刻关断，仍处于导通状态，谐振电流几乎保持不变。以近似正弦趋势变化的谐振电流ilr与固定斜率而呈线性变化的励磁电流ilm在t1时刻相交。
[0055]
模态3：[t2,t3]
[0056]
如图4所示，t2时刻，原边mosfet关断，谐振电流开始向原边mosfet结电容进行充放电，并且原边结电容也进入了整体的谐振过程，使得谐振电流ir中的直流电流部分降低，交流部分继续发生高频谐振。原边二极管结电容cq与副边二极管结电容cd的比值直接影响着直流电流分配，进而影响zvs；交流部分仍然存在着高频谐振，该谐振电流幅值以及相角同样会影响zvs。电路模型等效电路如图6所示。
[0057]
该时间段内原边的sic mosfet结电容也参与了谐振，[t2,t3]的时域方程如下：
[0058][0059]
其中，[t2-t3]时间段内ilr的谐振频率f2为：
[0060][0061]
t2时刻的谐振腔电流和励磁电流近似相等，可视为ilr(t2)＝ilm(t2)，进而推得下式：
[0062][0063]
模态4：[t3,t4]
[0064]
如图5所示，t3时刻，上一模态时间内实现原边结电容电压换向结束，即实现了软开关，且刚好原边励磁电感电压达到近似-nvo，故被反向钳位，副边整流桥对管导通，整流二极管的寄生电容停止参与原边谐振，脱离三元件谐振状态，进入两元件谐振状态，谐振电流在谐振腔负压的作用下迅速下降，此状态应立马开通原边对管。
[0065]
如图7所示，为模态1至模态4的分析图。
[0066]
以下，根据上述模态分析进行谐振参数的计算。
[0067]
如图8所示，为本发明具体实施例的一种谐振参数设计流程图。可知，电容电压的选择取决于谐振电容cr，谐振电容值会影响谐振电感lr和谐振频率。励磁电感lm的取值在于zvs实现的条件。sic mosfet结电容在死区时间内会进行充放电，其表达式如式(7)所示：
[0068][0069]
励磁电感范围如式(8)所示：
[0070][0071]
当不考虑结电容谐振时，式(8)可以简化为式(9)：
[0072]
lm＜(nv
out
td)/(8f
rcqvin
)
ꢀꢀ
(9)
[0073]
一般来说，励磁电感值根据式(8)、式(9)上限值确定。
[0074]
以上实施方式仅用于说明本发明专利，而并非对本发明专利的限制，有关技术领
域的普通技术人员，在不脱离本发明专利的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明专利的范畴，本发明专利的专利保护范围应由权利要求限定。
[0075]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，其特征在于，包括下述步骤：分析电路模态；计算谐振电容cr；计算谐振电感lr；计算励磁电感lm的取值范围；计算励磁电感电流ilm(t)，谐振电容电压vcr(t)，谐振电感电流ilr(t)；验证是否满足vcr(t)，ilr(t)的限制条件：ilr(t)<ilr_max且vcr(t)<vcr_max。2.根据权利要求1所述的一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，其特征在于，所述分析电路模态具体是：将电路的工作状态分为4个模态，分别为：模态1：[t0,t1]，原边开关器件正向导通阶段；模态2：[t1,t2]，原边开关器件正向导通，谐振电容cr、谐振电感lr、励磁电感lm谐振状态；模态3：[t2,t3]，原边开关器件关断、寄生电容放电阶段；模态4：[t3,t4]，原边开关器件关断、谐振电容cr、谐振电感lr、励磁电感lm通过二极管续流阶段；其中，n为电路中变压器的变比。3.根据权利要求2所述的一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，其特征在于，所述计算励磁电感lm的取值范围具体为：其中，cq为原边二极管结电容，cd为副边二极管结电容，fs为开关频率，fr为谐振频率，pin为输入功率，td为死区时间。4.根据权利要求3所述的一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，其特征在于，所述计算励磁电感lm的简化式为：l
m
＜(nv
out
t
d
)/(8f
r
c
qvin
)。5.根据权利要求2所述的一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，其特征在于，励磁电感电流ilm(t)，谐振电容电压vcr(t)，谐振电感电流ilr(t)的计算方法为：其中，vcq3为原边结电容电压。6.根据权利要求2所述的一种llc_dcx谐振参数系统设计方法，其特征在于，所述限制条件具体为：谐振电容在该t0-t1时间段内最大谐振电流为icr_max，最大谐振电压为vcr_max，其中icr_max与ilr_max等效，icr_max与vcr_max二者的关系如下：

技术总结
本发明提供了一种考虑寄生电容的LLC_DCX谐振参数系统设计方法。首先采取模态分析方法，使得电路的工作状态简单清晰，适用于工程实际。然后，基于LLC变换器，考虑了寄生电容对电路正常运行的不良影响，提出谐振参数系统设计的详细算法。通过原副边结电容产生影响的对比分析，对实际电路的设计有良好的参考价值。对实际电路的设计有良好的参考价值。对实际电路的设计有良好的参考价值。


技术研发人员：刁利军 刘新博 何水源 马睿祺 刁利坚 金哲铭 王磊 东野忠昊
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/9