一种含有谐振零点直流变换器的参数设计方法与流程

本发明属于一种多谐振软开关直流变换器参数设计方法，尤其是一种含有谐振零点直流变换器的参数设计方法。

背景技术：

谐振软开关直流变换器因其具有结构简单、较高变换效率、良好的emi特性和较宽的输入输出电压调节范围等优势，在电动汽车充电、led驱动、光伏发电等方面具有较为广泛的应用。

现有的llc、lcl、lcc等结构的谐振软开关直流变换器虽然具有较为成熟的应用技术和参数设计方法，但这些变换器受各自拓扑结构的本身限制，均存在一些问题，例如对于时下研究最热的llc谐振软开关直流电路来讲，变换器的电压范围和整体效率始终存在矛盾无法同时满足需求。

因此，许多学者从多谐振元件的谐振软开关直流变换器的角度出发，研究并开发出含有多种优势的谐振软开关直流变换器，包括在较宽范围内维持较高效率、较低的电压电流应力、极宽的输出电压调节范围等。其中，一类含有谐振零点的谐振软开关直流变换器由于拥有一个与负载变化无关的谐振零点，即使得开关频率在此零点时，变换器的直流输出输入电压增益始终保持为零的点，使得变换器的输出直流电压在零至额定电压范围内灵活调整，可以适用于多种应用场合，具有较高的研究、开发意义。

然而，虽然此类含有零点的多谐振元件谐振软开关直流变换器具有多种好处，但此类变换器的参数设计方法比较困难，当前没有普遍且有效的参数设计方法。当前对于含有多谐振元件的谐振软开关变换器的设计方法可以总结为采用类似llc结构的参数设计方法、采用固定若干参数优化剩下参数的设计方法、采用对称结构降低设计难度的方法等，虽然这些设计方法具有一定的有效性，但均存在一些程度上利用谐振元件降阶来简化参数设计过程，并不具有对一般含有多谐振元件的谐振软开关变换器的指导意义，同时不能说明所优化的参数即为变换器的最优参数。

因此，为了实现对含有谐振零点的多谐振元件谐振软开关变换器进行简单、可靠的参数优化设计，本发明提出了一种具有设计方法简单直观、设计效果良好的参数设计方法，该方法非常适用于含有谐振零点的多谐振元件谐振软开关变换器。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种含有谐振零点直流变换器的参数设计方法，该方法可以实现简单、直观的对含有零点的谐振软开关直流变换器电路参数进行筛选与设计，设计结果具有良好的效果，变换器的性能符合参数设计目标。

为了解决现有技术中存在技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种含有谐振零点直流变换器的参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，根据应用需求确定谐振软开关变换器的额定输入电压、额定输出电压以及额定开关管控制频率；

第二，利用基波等效法对谐振软开关变换器进行建模，并计算变换器的直流电压增益mgain、谐振点fr1和fr2以及谐振零点f0；

第三，确定需要优化的谐振参数个数和各个参数可能的参数变化范围，将各个参数分为独立的参数组；利用matlab程序对参数组进行筛选，如果符合条件则保留并记录，否则，被舍弃；

第四，从第三步所记录的符合条件的参数组进行进一步参数优化和筛选，综合考虑变换器的导通损耗和开关管的关断损耗确认一组最优的参数组；

第五，对第四步中参数组中的若干参数按照从各自的小参数范围内选值并确定下来，同时确定其余参数的参数优化范围；

第六，计算变换器各个电路谐振特征变量的表达公式，通过所述表达公式绘制三维图形，再结合所述三维图形中进一步缩小参数的合理取值范围；

第七，将各个电路谐振特征变量按照各自对电路性能影响的重要程度划分优先级，使得优先级高的电路谐振特征变量所对应的最优电路参数范围被优先满足，同时，根据各最优电路谐振特征变量的优先级对电路参数进行选择，并最终确认选值；

第八，利用仿真模型验证多设计的参数能否实现满足变换器的设计目标，如果满足条件，则设计过程结束；否则，返回第五步，重新选择变换器参数再一次完成上述步骤。

所述第四步中利用matlab程序对参数组进行筛选过程为：

第一，确定各个参数的参数设计范围；

第二，将各变换器参数分组，使得每个参数分组均包含所有种类的变换器参数，且每个种类的变换器参数仅有一个值。

第三，判断是否所有参数分组均完成后续优化，如果否则继续优化，如果是则此matlab程序结束；

第四，计算每个参数分组所对应的直流电压增益mgain、谐振点fr1和fr2、谐振零点f0表达式的值；

第五，后续的优化过程主要是判断本组参数分组是否满足变换器的各项约束，如果不满足则此参数分组被舍弃且程序立刻重新进入第二步，若满足记录器记录该组符合条件的参数分组，程序进入第二步。

所述谐振软开关变换器额定输入电压选定为400v，额定输出电压选定为52v，额定开关管控制频率选定为100khz。

有益效果

本发明的优势在于：

1.所述参数设计方法简单、易实现，非常适用于含有谐振零点的多谐振元件谐振软开关变换器；

2.所述参数设计方法效果良好，使得需要参数设计的变换器能够符合变换器的设计要求；

3.所述参数设计方法灵活可调，可以根据不同的应用场景列出不同的变换器约束条件，使得需要参数设计的变换器具有多种特性。

附图说明

图1为所述一种适用于含零点谐振软开关直流变换器参数设计方法的设计流程图；

图2为matlab程序的程序流程图；

图3为cltcl谐振软开关变换器电路图；

图4为cltcl谐振软开关变换器的直流电压增益曲线；

图5为适用于cltcl谐振软开关变换器的matlab程序流程图；

图6为cltcl谐振软开关变换器在额定条件下的实验波形；

图7为cltcl谐振软开关变换器的直流电压增益曲线的计算结果、仿真结果和实现结

果的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明。

如图1所示，本发明提供一种含有谐振零点直流变换器的参数设计方法，包括如下步骤：

第一101，根据应用需求确定变换器应该具有的额定输入电压、额定输出电压以及额定开关管控制频率。

第二102，利用基波等效法对谐振软开关变换器进行建模，并计算变换器的直流电压增益mgain、谐振点fr1和fr2以及谐振零点f0；

第三103，确定需要优化的谐振参数个数和各个参数可能的参数变化范围，根据工程经验使得该变化范围设置得非常较宽，涵盖每一个参数可能的取值范围，进一步将各个参数分为独立的参数组，每一组都与其他组保持不同，然后用matlab程序对这些参数组进行筛选，符合条件的留下并记录，不符合条件的则被放弃；

本例中，谐振参数个数为8个，包括cltcl电路中的电感l1、l2，电容c1、c2，变压器t1、t2的励磁电感lm1、lm2和变压器t1、t2的匝比n1、n2。各参数的范围均较宽，各个参数对应的范围为10μh至200μh、10μh至100μh、5nf至60nf、1nf至20nf、100μh至1200μh、100μh至1200μh、2至8、2至8。

第四104，从第三步所记录的符合条件的参数组进行进一步参数优化和筛选，综合考虑变换器的导通损耗和开关管的关断损耗确认一组最优的参数组。该最优参数组通过折中给出，可以同时保持导通损耗和开关管的关断损耗较小。此时该参数组内的各个参数仅能在小范围内变化，参数可选的范围大大缩小；

第五105，因为参数的范围在第四步中已经被确定于一个很小的范围内，为了简化优化过程，将若干参数从各自的小参数范围内选值并确定下来，同时确定其余参数的参数优化范围；

第六106，根据电路模型计算变换器输入阻抗角、电压增益、电容电压应力等各个电路谐振特征变量的表达公式，并利用这些公式绘制三维图形，从图形中进一步缩小参数的合理取值范围，使得对于每一个单独的电路谐振特征变量，都有使得该电路谐振特征变量的最优参数取值范围；

第七107，设置电路谐振特征变量的优先级并最终确认电路参数。由于第六步中各个电路谐振特征变量对应的最优电路参数范围可能会与另一个电路谐振特征变量对应的最优电路参数范围相互冲突，对各个电路谐振特征变量按照对变换器的重要程度划分优先级，使得优先级高的电路谐振特征变量所对应的最优电路参数范围被优先满足。根据各最优电路谐振特征变量的优先级对电路参数进行选择，并最终确认选值；

第八108，利用仿真模型验证多设计的电路参数能否实现满足变换器的设计目标，如果可以则设计过程结束，如果不能满足，则设计流程跳至第五步，重新选择变换器参数再一次完成上述步骤。

此外，上述过程第三步提出的matlab的具体操作流程也简单叙述一下，如图2所示：

第一201，确定各个参数的参数设计范围；

第二202，判断所有参数组是否符合约束条件；即将各变换器参数分组，使得每个参数分组均包含所有种类的变换器参数，且每个种类的变换器参数仅有一个值。每个参数分组均不同于其他参数分组，因此可以作为matlab程序筛选的基本单元；

第三203，判断是否所有参数分组均完成后续优化，如果否则继续优化，如果是，则此matlab程序结束；

第四204，计算每个参数分组所对应的直流电压增益mgain、谐振点fr1和fr2、谐振零点f0表达式的值；

第五(205，206)，后续的优化过程主要是判断本组参数分组是否满足变换器的各项约束，如果不满足则此参数分组被舍弃且程序立刻重新进入第三步，若满足记录器记录该组符合条件的参数分组，程序进入第三步。

以一种含有谐振零点的cltcl电路为例，来说明本发明提出的参数设计方法的具体实施过程。电路图的基本结构如图3所示，图中变换器由一个半桥逆变电路、一个谐振电路和一个二极管全桥整流电路组成。其中，谐振电路包含两个变压器、两个谐振电感和两个谐振电容等多个谐振元件，cltcl谐振软开关电路属于多谐振元件谐振软开关直流变换器。vbus表示输入直流电压源，s1和s2是逆变电路的功率开关管，电容c1和c2是两个谐振电容，电感l1和l2是两个谐振电感，变压器t1和t2是两个高频变压器，二极管d1、d2、d3和d4是整流器二极管，电容co是输出侧稳压电容，电阻ro是负载电阻。

根据图1的设计步骤，我们首先确定所述cltcl变换器的额定参数，额定输入电压选定为400v，额定输出电压选定为52v，额定开关管控制频率选定为100khz。

第二步，经过基波等效法对电路进行建模，计算变换器的直流电压增益mgain、谐振点fr1和fr2、谐振零点f0表达式，并根据这些表达式绘制变换器的直流电压增益曲线如图4所示。电路在第一谐振点fr1附近取得电压增益的最大值，并随着电路的控制开关频率fs的增加快速下降至零，因此具有输出电压从零至额定电压的可调节范围；进一步随着开关频率的继续上升，变换器在第二谐振点fr2附近达到电压增益的最大值，电压增益随着频率的继续增加而缓慢下降，此时所述cltcl变换器可以应用在需要恒电压输出的场景。本发明所述参数设计方法主要针对cltcl变换器的fr1至f0频段进行设计，设计目的是使得所述cltcl变换器的功率开关器件在此频段内可以具有较低开关损耗，同时，使得所述变换器具有极宽的输出电压范围，输出电压在额定值至零可调。

第三步，首先确定需要优化的参数的个数，如图3可知，本例中需要对变压器t1的匝比n1和励磁电感lm1，变压器t2的匝比n2和励磁电感lm2，电容c1和c2的容值，电感l1和l2的感值进行设计。接下来，将每个参数范围设置得较宽，涵盖每一个参数可能的取值范围。将各个参数划分为独立的参数组，每个参数组都包含所有的八个参数，而且每个参数组均与其他参数组不同。接着，利用matlab程序对这些参数进行筛选，符合条件的留下并记录，不符合条件的则被放弃。

针对所述cltcl变换器的matlab程序流程图如图5所示。图5与图2所表示的流程图类似，将图2中的变换器约束条件更详细的给出：

约束条件一：参数分组必须使电路满足fr1<f0<fr2使得所述cltcl变换器直流电压增益曲线与图4吻合；

约束条件二：参数分组必须使电路满足98khz<fr1<102khz，因为谐振软开关直流变换器的额定工作频率一般略高于变换器的谐振点，本例中额定开关频率为100khz，因此fr1应当接近于100khz；

约束条件三：参数分组必须使电路的谐振零点满足f0<180khz以使得fr1至f0频段较为狭窄，变换器可以在较窄的范围内调节变换器的输出电压，使得输出电压可以在额定输出电压和零之间灵活调整；

约束条件四：参数分组必须使电路在fr1至f0频段内具有单调递减的特性以方便控制器的设计；

约束条件五：参数分组必须使电路的直流电压增益mgain满足额定条件下输入、输出电压的比例关系，本例中应当使在fr1处的增益mgain(fr1)满足0.132<mgain(fr1)<0.133；

约束条件六：考虑到实际工程原因，变压器的励磁电感一般具有3％～5％的漏感，因此需要使得电感l1和l2分别大于lm1和lm2的5％。

第四步，从符合条件的参数组进行进一步参数优化和筛选，综合考虑变换器的导通损耗和开关管的关断损耗确认一组最优的参数组，此时该参数组内的各个参数仅能在小范围内变化，参数可选的范围大大缩小。

第五步，因为参数的范围在第五步中已经被确定于一个很小的范围内，为了简化优化过程，将若干参数从各自的小参数范围内选值并确定下来，同时确定其余参数的参数优化范围。

第六步，根据电路模型计算变换器输入阻抗角、电压增益、电容电压应力等各个电路参量的表达公式，并利用这些公式绘制三维图形，从图形中进一步缩小参数的合理取值范围，使得对于每一个单独的电路参量，都有使得该参量的最优参数取值范围。

第七步，由于上一步各个单独电路参量的参数优化范围可能会与另一个参量的参数优化范围相冲突，为了解决此问题，将各个电路参量按照各自对电路性能影响的重要程度，划分优先级，使得参数设计必须首先满足优先级较高的电路参量，在此基础上，使得电路参数尽量向低优先级电路参量的最优参数范围靠近，最终根据各个优先级确定各个参数的最终选值。

第八步，利用仿真模型验证多设计的参数能否实现满足变换器的设计目标，如果可以则设计过程结束，如果不能满足，则设计流程跳至第四步，重新选择变换器参数再一次完成上述步骤。

进一步对经上述参数设计后的cltcl谐振软开关直流变换器进行试验验证，其额定条件下的实验波形如图6所示。图6中的波形依次表示开关管s1的电压波形vs1、电流波形is1，二极管d1的波形vd1、电流波形id1。在开关管s1的开关过程中，其电压和电流的重叠部分很小，因此开关损耗很小，实现了零电压开通和准零电流关断。在二极管d1的开关过程中，其电压和电流的重叠部分很小，因此开关损耗很小，实现了准零电流开通和零电流关断。变换器的总体开关损耗被降至最低，与本例中的设计目标相同。

cltcl谐振软开关变换器的直流电压增益曲线的计算结果、仿真结果和实现结果的对比图如图7所示。可知，三种曲线能够较为良好的对应，说明本发明所述参数设计方法具有良好的设计效果。

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。