一种输出本安型llc谐振变换器的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在煤炭、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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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宄与应用主要 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 一种输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1 :根据设计要求，设定如下参数：
[0008] 输入电压范围Vinmin?V inmax，额定输入电压VinM，输出电压V。，期望纹波电压 A Vi，输出电流I。，输出功率P。，电感系数k ;
[0009] 步骤2 :根据步骤1中的参数设定谐振频率f,，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I
[0010] 步骤3 :根据步骤2设定的谐振频率f,、以及计算得到的Ipk、U+算输出短路时 最大释放能量WMX;
[0011] 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A v2 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AV2在期望纹波值 以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。
[0012] 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 f；设定为100kHz，额定输入时变换器工作在附近，所述原边电流峰值I pk计算公式如下：
[0013]
【主权项】
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?V in max，额定输入电压Vin mm，输出电压V。，期望纹波电压Λ V1,输 出电流I。，输出功率Ρ。，电感系数k ; 步骤2 :根据步骤1中的参数设定谐振频率f；，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I。_; 步骤3 :根据步骤2设定的谐振频率f；、以及计算的1_、1。_计算输出短路时最大释放 能量Wniax; 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AV2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AV2在期望纹波值AV1 以下，则设计结束，否则需要重新选择输出滤波电容。
2. 根据权利要求1所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，其特征在于，步骤2 中，谐振频率f；设定为IOOkHz，额定输入时变换器工作在f 近，所述原边电流峰值I pl# 算公式如下：
所述步骤2中流过输出电容的电流有效值I。"s计算公式如下：
其中，V。为输出电压，η为变压器变比，L为负载电阻，为谐振频率，Lm为励磁电感， I。为输出电流。
3. 根据权利要求1所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，其特征在于，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(；小 于临界点燃电容C b，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(；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V。 的变换器，在最小点燃电压曲线上查得KV。对应的临界点燃电容。
4. 根据权利要求1所述的输出本安型LLC谐振变换器的设计方法，其特征在于，步骤4 中所述实际纹波值△ V2计算公式如下： A V2 I c-rmsResr 其中，Igms为流过输出电容的电流有效值，R^为输出滤波电容的等效串联电阻。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】H02M3-28
【公开号】CN104539158
【申请号】CN201410785483
【发明人】于月森, 贺威, 曾羿博, 杜朋, 陈贺贺, 陈小强, 周娟, 钱建生
【申请人】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
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月17日