一種輸出本安型llc諧振變換器的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在煤炭、石油、化工等領域應用的DC-DC變換器，尤其涉及一種輸 出本安型LLC諧振變換器的設計方法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的隔爆型電氣設備的防爆手段是將可能產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，只是在結合部保持一定寬度和間隙。當殼內氣體混合物 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。如果電路開關設備功率大，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)的供電設備，本質安全電氣設備則擺脫 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)境中廣泛應用。根據標準GB3836. 4的規(guī)定，本質 安全電氣設備通過將設備內部和暴露于潛在爆炸性環(huán)境的連接導線可能產生的電火花或 熱效應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，以保證電氣設備在正 常工作或發(fā)生短接、元器件損壞等故障情況下產生的電火花和熱效應不至于引起其周圍可 能存在的危險氣體爆炸。
[0004] 現有的本安型DC-DC變換器多是采用線性電源實現。線性電源是先將交流電經過 變壓器變壓，再經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， 必須經過電壓反饋調整輸出電壓，這種電源技術很成熟，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)，調整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調整管的功耗太大， 轉換效率低，還要安裝很大的散熱片。另外，目前在本安開關變換器方面的研宄與應用主要 集中在BUCK等非隔離變換器，不能很好的適應于具有隔離要求的本安應用場合。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明針對上述現有技術的不足，提出一種本安型LLC諧振變換器的設計方法， 它采用LLC拓撲結構，每個開關管承受最大輸入電壓，并且能夠實現開關管的ZVS開通以及 副邊二極管的ZCS關斷，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，在實現降低開關損耗，提高電源的電磁兼容性能的同時，保證變換器的本質安全 性能。
[0006] 一種輸出本安型LLC諧振變換器的設計方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :根據設計要求，設定如下參數：
[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k ;
[0009] 步驟2 :根據步驟1中的參數設定諧振頻率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 :根據步驟2設定的諧振頻率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 :對所設計的LLC諧振變換器的輸出本質安全性能和實際紋波電壓值A v2 進行評判判斷，若所述諧振變換器的輸出滿足本質安全，且實際紋波值AV2在期望紋波值 以下，則設計結束，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諧振變換器的設計方法，步驟2中諧振頻率 f；設定為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]
【主權項】
1. 一種輸出本安型LLC諧振變換器的設計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :根據設計要求，設定如下參數： 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k ; 步驟2 :根據步驟1中的參數設定諧振頻率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 :根據步驟2設定的諧振頻率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 :對所設計的LLC諧振變換器的輸出本質安全性能和實際紋波電壓值AV2進行 評判判斷，若所述諧振變換器的輸出滿足本質安全，且實際紋波值AV2在期望紋波值AV1 以下，則設計結束，否則需要重新選擇輸出濾波電容。
2. 根據權利要求1所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設計方法，其特征在于，步驟2 中，諧振頻率f；設定為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. 根據權利要求1所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設計方法，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，則開關變換器的輸出是本質安全的； 其中，LLC諧振變換器的等效電容(；根據下式得到：
Cb為根據國標GB3836. 4的要求，需在電壓上考慮到安全系數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。對應的臨界點燃電容。
4. 根據權利要求1所述的輸出本安型LLC諧振變換器的設計方法，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諧振變換器的設計方法，首先根據設計要求對其參數進行了設置，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，最后對所設計的LLC諧振變換器的輸出本質安全性能和實際紋波電壓與預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安全的且滿足紋波電壓的要求，則設計結束，否則重新設計。本發(fā)明設計方法可適用于具有隔離要求的本安應用場合，采用LLC拓撲結構，實現了開關管的ZVS開通以及副邊二極管的ZCS關斷，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