一種輸出本安型llc諧振變換器的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在煤炭、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的DC-DC變換器，尤其涉及一種輸 出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的隔爆型電氣設(shè)備的防爆手段是將可能產(chǎn)生電火花的電路部位全部封裝于 隔爆外殼中，但外殼并非完全封閉，只是在結(jié)合部保持一定寬度和間隙。當殼內(nèi)氣體混合物 發(fā)生爆炸時，不僅外殼的強度能承受爆炸時的壓力，而且自間隙逸出的電火花已減弱到不 能引起環(huán)境氣體爆炸的強度。如果電路開關(guān)設(shè)備功率大，控制元件多，則隔爆外殼將大而笨 重。
[0003] 作為通訊、監(jiān)控、檢測、報警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，本質(zhì)安全電氣設(shè)備則擺脫 了笨重的隔爆外殼，因而重量輕、體積小、節(jié)約大量鋼材、價格低、制造維修方便，在石油、化 工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物的環(huán)境中廣泛應(yīng)用。根據(jù)標準GB3836. 4的規(guī)定，本質(zhì) 安全電氣設(shè)備通過將設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或 熱效應(yīng)能量限制在不能點燃的水平來達到防爆的目的。本安防爆技術(shù)的基本原理是從限制 能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證電氣設(shè)備在正 常工作或發(fā)生短接、元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不至于引起其周圍可 能存在的危險氣體爆炸。
[0004] 現(xiàn)有的本安型DC-DC變換器多是采用線性電源實現(xiàn)。線性電源是先將交流電經(jīng)過 變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓， 必須經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓，這種電源技術(shù)很成熟，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很 小。但是它的缺點是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當大，這 與本安防爆電源需要限制輸出能量存在設(shè)計上的矛盾。而且線性電源電壓反饋電路是工作 在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調(diào)整管的功耗太大， 轉(zhuǎn)換效率低，還要安裝很大的散熱片。另外，目前在本安開關(guān)變換器方面的研宄與應(yīng)用主要 集中在BUCK等非隔離變換器，不能很好的適應(yīng)于具有隔離要求的本安應(yīng)用場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法， 它采用LLC拓撲結(jié)構(gòu)，每個開關(guān)管承受最大輸入電壓，并且能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的ZVS開通以及 副邊二極管的ZCS關(guān)斷，提高了變換器的效率。另外，高頻變壓器的使用大大減小了整個裝 置的體積，在實現(xiàn)降低開關(guān)損耗，提高電源的電磁兼容性能的同時，保證變換器的本質(zhì)安全 性能。
[0006] 一種輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)定如下參數(shù)：
[0008] 輸入電壓范圍Vinmin?V inmax，額定輸入電壓VinM，輸出電壓V。，期望紋波電壓 A Vi，輸出電流I。，輸出功率P。，電感系數(shù)k ;
[0009] 步驟2 :根據(jù)步驟1中的參數(shù)設(shè)定諧振頻率f,，選擇工作區(qū)域，計算LLC諧振變換 器的原邊電流峰值Ipk以及流過輸出電容的電流有效值I
[0010] 步驟3 :根據(jù)步驟2設(shè)定的諧振頻率f,、以及計算得到的Ipk、U+算輸出短路時 最大釋放能量WMX;
[0011] 步驟4 :對所設(shè)計的LLC諧振變換器的輸出本質(zhì)安全性能和實際紋波電壓值A(chǔ) v2 進行評判判斷，若所述諧振變換器的輸出滿足本質(zhì)安全，且實際紋波值A(chǔ)V2在期望紋波值 以下，則設(shè)計結(jié)束，否則需要重新選擇輸出濾波電容。
[0012] 進一步地，如上所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，步驟2中諧振頻率 f；設(shè)定為100kHz，額定輸入時變換器工作在附近，所述原邊電流峰值I pk計算公式如下：
[0013]
【主權(quán)項】
1. 一種輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)定如下參數(shù)： 輸入電壓范圍Vin min?V in max，額定輸入電壓Vin mm，輸出電壓V。，期望紋波電壓Λ V1,輸 出電流I。，輸出功率Ρ。，電感系數(shù)k ; 步驟2 :根據(jù)步驟1中的參數(shù)設(shè)定諧振頻率f；，選擇工作區(qū)域，計算LLC諧振變換器的 原邊電流峰值Ipk以及流過輸出電容的電流有效值I。_; 步驟3 :根據(jù)步驟2設(shè)定的諧振頻率f；、以及計算的1_、1。_計算輸出短路時最大釋放 能量Wniax; 步驟4 :對所設(shè)計的LLC諧振變換器的輸出本質(zhì)安全性能和實際紋波電壓值A(chǔ)V2進行 評判判斷，若所述諧振變換器的輸出滿足本質(zhì)安全，且實際紋波值A(chǔ)V2在期望紋波值A(chǔ)V1 以下，則設(shè)計結(jié)束，否則需要重新選擇輸出濾波電容。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，其特征在于，步驟2 中，諧振頻率f；設(shè)定為IOOkHz，額定輸入時變換器工作在f 近，所述原邊電流峰值I pl# 算公式如下：
所述步驟2中流過輸出電容的電流有效值I。"s計算公式如下：
其中，V。為輸出電壓，η為變壓器變比，L為負載電阻，為諧振頻率，Lm為勵磁電感， I。為輸出電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，其特征在于，步驟4 中判斷諧振變換器的輸出是否滿足本質(zhì)安全的條件包括：LLC諧振變換器的等效電容(；小 于臨界點燃電容C b，即Ce〈CB，則開關(guān)變換器的輸出是本質(zhì)安全的； 其中，LLC諧振變換器的等效電容(；根據(jù)下式得到：
Cb為根據(jù)國標GB3836. 4的要求，需在電壓上考慮到安全系數(shù)K，則對于輸出電壓為V。 的變換器，在最小點燃電壓曲線上查得KV。對應(yīng)的臨界點燃電容。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，其特征在于，步驟4 中所述實際紋波值△ V2計算公式如下： A V2 I c-rmsResr 其中，Igms為流過輸出電容的電流有效值，R^為輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輸出本安型LLC諧振變換器的設(shè)計方法，首先根據(jù)設(shè)計要求對其參數(shù)進行了設(shè)置，然后計算所述諧振變換器的原邊峰值電流Ipk以及流過輸出電容電流有效值Ic_rms并計算輸出短路時最大釋放能量Wmax，最后對所設(shè)計的LLC諧振變換器的輸出本質(zhì)安全性能和實際紋波電壓與預(yù)期紋波電壓進行評判判斷，若所述LLC諧振變換器的輸出是滿足本質(zhì)安全的且滿足紋波電壓的要求，則設(shè)計結(jié)束，否則重新設(shè)計。本發(fā)明設(shè)計方法可適用于具有隔離要求的本安應(yīng)用場合，采用LLC拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS開通以及副邊二極管的ZCS關(guān)斷，提高了變換器的效率，在提高電源的電磁兼容性能的同時，保證了變換器的本質(zhì)安全性能。
【IPC分類】H02M3-28
【公開號】CN104539158
【申請?zhí)枴緾N201410785483
【發(fā)明人】于月森, 賀威, 曾羿博, 杜朋, 陳賀賀, 陳小強, 周娟, 錢建生
【申請人】中國礦業(yè)大學盱眙礦山裝備與材料研發(fā)中心, 中國礦業(yè)大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月17日