一种LLC变流器、LLC变流器中变压器的设计方法及系统与流程

本发明涉及变流器设计领域，特别是涉及一种LLC变流器中变压器的设计方法及系统。

背景技术：

LLC变流器由于具有软开关、宽输入输出电压范围、高效率、高功率密度、无噪音等优点，广泛应用于电脑适配器、车载充电机、服务器电源等高功率密度场合。LLC变流器常用的控制方法有脉冲频率调制(PFM，pulse frequency modulation)技术、脉宽调制(PWM，pulse width modulation)技术和混合调制(HM，hybrid modulation)技术。PWM调制技术在欠谐振时功率器件上承受较大的电压尖峰，混合调制技术控制复杂，不利于工业应用。相比之下，PFM控制技术逻辑简单，容易实现，应用已很成熟。PFM是在基波近似分析法(FHA，fundamental harmonic approximation)的基础上提出的，其基本原理是通过改变LLC的工作频率，调节输出等效负载电阻的电压，进而对输出功率和输出电压进行调节，当应用于宽电压场合时，其工作频率较宽，变压器和谐振电感的工作频率随时发生着变化，而传统的磁件设计方法是在固定输出功率下仅考虑磁件单点频率工作的情况，因此，传统的磁件设计方法不能对LLC变流器的进行准确的设计。

LLC变流器的磁件包括谐振电感和隔离变压器两部分，磁件的设计与LLC变流器的功率密度和效率有关，目前，LLC变流器磁件的设计沿用传统开关电源的设计方法，在给定谐振频率、输出功率和谐振点输出电压的情况下，采用面积积法(A_p法)确定磁芯的A_p值，然后根据窗口利用系数和电流密度等参数限制，对磁件进行设计。但是，宽电压应用时，当输出电压发生变化时，LLC变流器的工作频率和输出功率等均在不断发生变化，由谐振点所确定的A_p值不再满足实际工作要求，当LLC变流器在低频满功率工作时，磁芯发生饱和，导致励磁电感和谐振电感退化，影响LLC变流器的正常工作，甚至发生过流等故障，可见，传统的开关电源的设计方法并不适用于在宽电压调制下对变流器的准确设计。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种LLC变流器、LLC变流器中变压器的设计方法及系统，使LLC变流器在脉宽调制时，既能避免磁件频率误差的产生，又能在整个输出电压范围内均满足设计要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种LLC变流器中变压器的设计方法，所述方法包括：

获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式；

根据所述关系式，采用仿真法，确定所述变流器的开关频率与输出电压的关系曲线、所述变流器的原边电流与输出电压的关系曲线；

根据公式确定所述变流器磁芯的面积积的最大值，其中，A_p(V_o)为所述变流器在输出电压为V_o时所述变流器磁芯的面积积，P₀为所述变流器的输出功率，K_f为所述变流器电压波形系数，B_max为所述变流器的最大允许磁通密度，K_u为所述变流器的窗口利用系数，d_p为所述变压器绕组线单股的直径，S_p为所述变压器单匝绕组线的股数，I_p为所述变流器在输出电压为V_o时的原边电流有效值，f_s为所述变流器在输出电压为V_o时的开关频率，V^-1(f_s)为V(f_s)的反函数，V(f_s)为所述变流器的开关频率与输出电压的关系函数；

根据所述变流器磁芯的面积积的最大值选取变压器的型号。

可选的，所述获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式，具体包括：

获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式其中，R_eq为所述变流器的输出等效电阻，V_o为所述变流器的输出电压，I_{o_max}为所述变流器的副边最大电流，P_o为所述变流器的输出功率。

可选的，所述根据所述关系式，采用仿真法，确定所述变流器的开关频率与输出电压的关系曲线、所述变流器的原边电流与输出电压的关系曲线，具体包括：

在所述变流器的输出电压范围内获取任一输出电压V；

根据所述关系式，计算所述变流器的输出电压为所述输出电压V时，对应的所述变压器的输出等效电阻R；

调节所述变流器的开关频率，直到所述变压器的输出电压为所述输出电压V，得到所述输出电压V所对应的开关频率f，所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻；

在所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻，且所述变压器的输出电压为所述输出电压V、所述开关频率为f时，获取所述变流器的原边电流，得到所述输出电压V对应的原边电流。

本发明还提供了一种LLC变流器中变压器的设计系统，所述系统包括：

关系式获取单元，用于获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式；

关系曲线确定单元，用于根据所述关系式，采用仿真法，确定所述变流器的开关频率与输出电压的关系曲线、所述变流器的原边电流与输出电压的关系曲线；

面积积最大值确定单元，用于根据公式确定所述变流器磁芯的面积积的最大值，其中，A_p(V_o)为所述变流器在输出电压为V_o时所述变流器磁芯的面积积，P₀为所述变流器的输出功率，K_f为所述变流器电压波形系数，B_max为所述变流器的最大允许磁通密度，K_u为所述变流器的窗口利用系数，d_p为所述变压器绕组线单股的直径，S_p为所述变压器单匝绕组线的股数，I_p为所述变流器在输出电压为V_o时的原边电流有效值，f_s为所述变流器在输出电压为V_o时的开关频率，V^-1(f_s)为V(f_s)的反函数，V(f_s)为所述变流器的开关频率与输出电压的关系函数；

变压器选型单元，用于根据所述变流器磁芯的面积积的最大值选取变压器的型号。

可选的，所述关系式获取单元具体包括：

关系式获取子单元，用于获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式其中，R_eq为所述变流器的输出等效电阻，V_o为所述变流器的输出电压，I_{o_max}为所述变流器的副边最大电流，P_o为所述变流器的输出功率。

可选的，所述关系曲线确定单元具体包括：

电压获取子单元，用于在所述变流器的输出电压范围内获取任一输出电压V；

等效电阻计算子单元，用于根据所述关系式，计算所述变流器的输出电压为所述输出电压V时，对应的所述变压器的输出等效电阻R；

第一关系曲线确定子单元，用于调节所述变流器的开关频率，直到所述变压器的输出电压为所述输出电压V，得到所述输出电压V所对应的开关频率f，所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻；

第二关系曲线确定子单元，用于在所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻，且所述变压器的输出电压为所述输出电压V、所述开关频率为f时，获取所述变流器的原边电流，得到所述输出电压V对应的原边电流。

本发明还提供了一种LLC变流器，所述LLC变流器在输出电压为V_o时的磁芯的面积积A_p(V_o)、输出功率P₀、所述变流器电压波形系数K_f、所述变流器的最大允许磁通密度B_max、所述变流器的窗口利用系数K_u、所述变压器绕组线单股的直径d_p、所述变压器单匝绕组线的股数S_p、所述变流器在输出电压为V_o时的原边电流有效值I_p、所述变流器在输出电压为V_o时的开关频率f_s满足本发明提供的LLC变流器中变压器的设计方法中的公式

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明针对LLC变流器中，磁件宽频工作的特点，在LLC谐振参数给定的情况下，先用仿真法得到LLC变流器在整个输出电压范围内，输出电压与变流器的工作频率、输出电压与原边电流有效值的关系曲线，然后结合全范围输出电压下变流器的工作频率、原边电流有效值计算磁芯的面积积，进而，得到在全范围输出电压下磁芯的面积积的最大值，最后，根据磁芯的面积积的最大值对变压器进行选型。避免了传统单点频率设计LLC变流器中变压器产生的频率误差，同时保证了变压器在整个输出电压范围内均满足设计要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例LLC变流器中变压器的设计方法流程示意图；

图2为本发明实施例本发明实施例R_eq～V_o的关系曲线；

图3为本发明实施例本发明实施例全输出电压范围内输出电压和开关频率关系曲线图；

图4为本发明实施例LLC变流器原边电流和出电压的关系曲线图；

图5为本发明实施例变流器面积积和输出电压曲线图；

图6为本发明实施例LLC变流器中变压器的设计系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种LLC变流器、LLC变流器中变压器的设计方法及系统，使LLC变流器在脉宽调制时，既能避免磁件频率误差的产生，又能在整个输出电压范围内均满足设计要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例LLC变流器中变压器的设计方法流程示意图，如图1所示，LLC变流器中变压器的设计方法步骤如下：

步骤101：获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式；

步骤102：根据所述关系式，采用仿真法，确定所述变流器的开关频率与输出电压的关系曲线、所述变流器的原边电流与输出电压的关系曲线；以仿真法准确得到LLC变流器的V_o～f_s曲线，避免了FHA法分析LLC电压增益曲线有误差的缺点。

步骤103：根据公式确定所述变流器磁芯的面积积的最大值，其中，A_p(V_o)为所述变流器在输出电压为V_o时所述变流器磁芯的面积积，P₀为所述变流器的输出功率，K_f为所述变流器电压波形系数，B_max为所述变流器的最大允许磁通密度，K_u为所述变流器的窗口利用系数，d_p为所述变压器绕组线单股的直径，S_p为所述变压器单匝绕组线的股数，I_p为所述变流器在输出电压为V_o时的原边电流有效值，f_s为所述变流器在输出电压为V_o时的开关频率，V^-1(f_s)为V(f_s)的反函数，V(f_s)为所述变流器的开关频率与输出电压的关系函数；基于A_p法，根据步骤102得到的仿真曲线计算出全输出电压范围内LLC变流器中磁件变压器的A_p～V_o曲线。

步骤104：根据所述变流器磁芯的面积积的最大值选取变压器的型号。以A_p～V_o曲线上A_p值最大的工作点作为LLC变流器的磁件设计结果，结合窗口利用系数K_u、最大允许磁通密度B_max、波形系数K_f、原边绕组电流密度J_c等参数对LLC变流器的磁件进行精确设计，确保在全范围输出电压范围内，磁芯均能正常工作且不超过所设计的最大磁通密度。

本发明中，P₀为LLC变流器的输出功率，f_r为LLC变流器的谐振频率、N为变压器的变比、L_r为谐振电感、C_r为谐振电容、L_m变压器的励磁电感、f_s为LLC变流器的工作频率、V_o为输出电压、B_max为磁件的最大允许磁通密度、K_f为电压波形系数、A_p为磁芯的面积积(是面积积)、K_u为窗口利用系数、J_c为绕组电流密度、I_o-max为LLC副边最大电流，d变压器绕组litz线单股的直径，S_n为变压器单匝绕组litz线的股数，I_p为LLC变流器原边电流有效值。

其中，步骤101具体为：获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式其中，R_eq为所述变流器的输出等效电阻，V_o为所述变流器的输出电压，I_{o_max}为所述变流器的副边最大电流，P_o为所述变流器的输出功率。

在步骤101后，要确定输出电压的范围。

在步骤102中，在所述变流器的输出电压范围内获取任一输出电压V；

根据步骤101中的关系式，计算所述变流器的输出电压为所述输出电压V时，对应的所述变压器的输出等效电阻R；

调节所述变流器的开关频率，直到所述变压器的输出电压为所述输出电压V，得到所述输出电压V所对应的开关频率f，所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻；

在所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻，且所述变压器的输出电压为所述输出电压V、所述开关频率为f时，获取所述变流器的原边电流，得到所述输出电压V对应的原边电流。

作为本发明的一个具体的实施例，输出电压V_o范围为230V～430V、输出功率P₀＝3.3kW、变压器变比N＝1.25、谐振频率f_r＝86kHz、变压器励磁电感L_m＝320uH、谐振电感L_r＝45μH、谐振电容C_r＝75nF。

根据式得到LLC的R_eq～V_o的关系曲线，图2为本发明实施例R_eq～V_o的关系曲线，如图2所示，横坐标为LLC变流器的输出电压V_o，纵坐标为LLC变流器的等效输出电阻R。

在本实施例中，输出电压范围为230V～430V；根据图2所示的R_eq～V_o曲线通过仿真法确定所述变流器的开关频率与输出电压的关系曲线、所述变流器的原边电流与输出电压的关系曲线，具体为：根据LLC变流器的实际工况，对应于图2中输出电压V_o和输出电阻R的关系曲线，即在确定的输出电压V_o下可通过上述曲线查找出一对(输出电压，负载电阻)坐标，表示为(V_o，R)，在输出电压V_o下，给LLC变流器的输出侧连接阻值为R的电阻。调节开关频率，直到输出电压为V_o，可得到此时LLC变流器原边电流有效值、LLC的开关频率。重复上述过程，即可完成全输出电压范围内LLC变流器的开关频率～输出电压曲线f_s～V_o、原边电流～输出电压曲线I_p～V_o。具体仿真过程可采用Matlab/Simulink、PLECS或PSIM等仿真软件实现，本专利采用PLECS仿真软件实现，得到全输出电压范围内输出电压～开关频率关系曲线V_o～f_s，图3为本发明实施例全输出电压范围内输出电压和开关频率关系曲线图，如图3所示，横坐标为LLC变流器的开关频率f_kHz，纵坐标为LLC变流器的输出电压V_o，图4为本发明实施例LLC变流器原边电流和出电压的关系曲线图，如图4所示，横坐标为LLC变流器的原边电流I_p，纵坐标为LLC变流器的输出电压V_o。

本实施例中，由于LLC的原边输出为方波电压，因此选取波形系数K_f＝1.4。采用铁氧体磁芯，窗口利用系数K_u＝0.4，原边单匝绕组规格为S_p＝100股、原边绕组单股litz线的直径为d_p＝0.1mm。由于磁芯材料为铁氧体，最大允许磁通密度可设置为B_max＝0.15T。

结合图3和图4的仿真结果，根据式对全输出电压范围内的A_p值进行计算，即从图3中得到输出电压为V_o时对应的开关频率fs，从图3得到输出电压为V_o时的原边电流I_p，将V_o、I_p和f_s、d_p、S_p带入到式可得到输出电压为V_o时的A_p值，从而可得到面积积～输出电压曲线A_p～V_o，图5为本发明实施例变流器面积积和输出电压曲线图，如图5所示，横坐标为LLC变流器的输出电压V_o，纵坐标为LLC变流器磁芯在不同输出电压下的A_p值；

基于以上分析，得到LLC变流器中磁件在最大输出电压时所需要的A_p值最大，当V_o＝430V时，A_p＝9.56×10⁴mm⁴。

变压器设计：

根据所得到的LLC在最恶劣工况下的A_p值，即A_p＝9.56×10⁴mm⁴，选择变压器磁芯规格为：两个PQ40/40型号的磁芯，单个PQ40/40磁芯的A_p值为6.553×10⁴mm⁴。材料型号为DRM95。

副边匝数：N_s＝26

原边匝数：N_p＝2N_s/N＝17

绕组规格：原边选择直径为0.1mm、100股的利兹线，副边选择直径为0.1mm、160股的利兹线。

本发明还提供了一种LLC变流器中变压器的设计系统，图6为本发明实施例LLC变流器中变压器的设计系统结构示意图，如图6所示，该系统包括：

关系式获取单元601，用于获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式；

关系曲线确定单元602，用于根据所述关系式，采用仿真法，确定所述变流器的开关频率与输出电压的关系曲线、所述变流器的原边电流与输出电压的关系曲线；

面积积最大值确定单元603，用于根据公式确定所述变流器磁芯的面积积的最大值，其中，A_p(V_o)为所述变流器在输出电压为V_o时所述变流器磁芯的面积积，P₀为所述变流器的输出功率，K_f为所述变流器电压波形系数，B_max为所述变流器的最大允许磁通密度，K_u为所述变流器的窗口利用系数，d_p为所述变压器绕组线单股的直径，S_p为所述变压器单匝绕组线的股数，I_p为所述变流器在输出电压为V_o时的原边电流有效值，f_s为所述变流器在输出电压为V_o时的开关频率，V^-1(f_s)为V(f_s)的反函数，V(f_s)为所述变流器的开关频率与输出电压的关系函数；

变压器选型单元604，用于根据所述变流器磁芯的面积积的最大值选取变压器的型号。

其中，关系式获取单元601具体包括：

关系式获取子单元，用于获取所述变流器的输出等效电阻与所述变流器的输出电压之间的关系式其中，R_eq为所述变流器的输出等效电阻，V_o为所述变流器的输出电压，I_{o_max}为所述变流器的副边最大电流，P_o为所述变流器的输出功率。

关系曲线确定单元602具体包括：

电压获取子单元，用于在所述变流器的输出电压范围内获取任一输出电压V；

等效电阻计算子单元，用于根据所述关系式，计算所述变流器的输出电压为所述输出电压V时，对应的所述变压器的输出等效电阻R；

第一关系曲线确定子单元，用于调节所述变流器的开关频率，直到所述变压器的输出电压为所述输出电压V，得到所述输出电压V所对应的开关频率f，所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻；

第二关系曲线确定子单元，用于在所述变流器的输出侧连接有阻值为R的电阻，且所述变压器的输出电压为所述输出电压V、所述开关频率为f时，获取所述变流器的原边电流，得到所述输出电压V对应的原边电流。

本发明还提供了一种LLC变流器，其特征在于，所述LLC变流器在输出电压为V_o时的磁芯的面积积A_p(V_o)、输出功率P₀、所述变流器电压波形系数K_f、所述变流器的最大允许磁通密度B_max、所述变流器的窗口利用系数K_u、所述变压器绕组线单股的直径d_p、所述变压器单匝绕组线的股数S_p、所述变流器在输出电压为V_o时的原边电流有效值I_p、所述变流器在输出电压为V_o时的开关频率f_s满足公式其中，V^-1(f_s)为V(f_s)的反函数，V(f_s)为所述变流器的开关频率与输出电压的关系函数，此关系函数由本发明所述的仿真法得到。

本发明针对LLC变流器磁件宽频工作的特点，在LLC谐振参数给定的情况下，为了避免FHA法在分析LLC电压增益时由于忽略高次谐波给V_o～f_s曲线带来的误差，先用仿真法得到LLC变流器在整个输出电压范围的工作频率f_s范围，然后在根据不同输出电压下LLC变流器的视在功率容量，结合全范围输出电压下的磁芯的工作频率、原边电流有效值确定磁件的A_p～V_o曲线，最后将A_p～f_s曲线上A_p值最大的一个频率点作为LLC磁件的设计结果。各参数符合该方法的变流器避免了传统单点频率设计LLC变流器中磁件产生的频率误差，同时保证磁件在整个输出电压范围内均满足设计要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。