一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法技术

本发明专利技术涉及DC/DC变换器领域，旨在提供一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法。包括：根据目标变换器的工作场景设定输入电压、额定输出电压、输出电压范围和谐振频率；确定变压器原副边匝比；然后依次计算谐振腔最大增益；设定品质因数Q的具体数值；确定最大电感比；确定原边谐振电感和原边谐振电容的值等，逐步完成目标双向谐振式CLLC变换器的参数设计。在符合设计需求的前提下，根据本发明专利技术设计的CLLC变换器有最大的励磁电感，从而减小了谐振电流和电路损耗，提高了变换器的运行效率。可以避免传统方法的反复迭代，优化设计过程。在采用高性能功率器件、增加同步整流电路等效率优化方案的基础上，无需更多硬件电路的成本投入，进一步提升变换器效率。

【技术实现步骤摘要】
一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法
本专利技术属于DC/DC变换器领域，涉及双向谐振式CLLC电路的参数设计，具体涉及双向谐振式CLLC变换器参数的优化设计方法。
技术介绍
储能系统在智能电网中有改善电能质量、提高分布式能源稳定性以及削峰填谷的作用。电网与储能系统间通过双向AC/DC变换装置实现能量的双向传输，由双向AC/DC变换器和隔离型双向DC/DC变换器组成的两级式结构控制相对简单、易于拓展，是目前研究的主流。其中，隔离型双向DC/DC变换器是系统的关键环节，承担着电压等级变换、电气隔离、控制功率流动等功能。在隔离型双向DC/DC变换器中，双向谐振式CLLC变换器结构完全对称，有自然软开关和高功率密度的优点，其正反向运行时的工作特性完全相同，因此能够实现双向升降压变换。在CLLC变换器中，励磁电感与原边谐振电感之比k影响变换器的损耗，当其他参数一定时，增大k可以减小谐振电流，降低功率器件和磁性元件的损耗，提高变换器效率。然而，电感比k较大时，由基波分析法(Firstharmonicapproximation，FHA)得到的变换器增益曲线在工作频率范围内会存在不单调的区间，为稳定的闭环控制带来困难；此外变换器还会存在容性工作区，在该区间内变换器会失去软开关；且电感比的增大会使变换器的最大增益减小，降低其电压输出能力。在目前的研究中，传统的CLLC变换器设计方法通过迭代来确定变换器参数，迭代的过程中不断判断增益曲线是否满足设计要求，直到获得理想的设计参数。该方法未考虑参数对变换器效率的影响，且计算量较大。为了优化变换器运行效率，常用的手段有使用高性能开关器件、增加同步整流电路、应用磁集成变压器等硬件方法，但会导致实现成本增加。因此，对双向谐振式CLLC变换器进行设计时，需要对现有技术进行改进，在满足设计要求、避免不良特性出现的前提下，对k值进行最大化选取，使变换器获得更高的效率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据目标变换器的工作场景，设定输入电压Vin、额定输出电压Vo、输出电压范围Vomin～Vomax和谐振频率fr；(2)确定目标变换器中的变压器原副边匝比为(3)计算目标变换器需满足的谐振腔最大增益为(4)根据目标变换器的基波等效模型，得到其直流增益表达式；(5)根据工作场景实际情况设定品质因数Q的具体数值；(6)确定保证目标变换器增益曲线在工作范围内单调下降的最大电感比kmax1；(7)确定保证目标变换器满足增益设计要求的最大电感比kmax2(8)确定满足设计要求的最大k值：kmax＝min{kmax1，knax2}；(9)品质因数和谐振频率的定义式如下：根据该定义式确定原边谐振电感Lrp和原边谐振电容Crp的值；根据变压器匝比n和电感比k，确定副边谐振元件Lrs、Crs，以及变压器励磁电感Lm的值：Lrs＝Lrp/n2，Crs＝n2Crp，Lm＝kLrp；至此，完成目标双向谐振式CLLC变换器的参数设计。本专利技术所述步骤(4)中，直流增益表达式具体如下：式中，k为变压器励磁电感与原边谐振电感之比，Q为品质因数，ωn为归一化谐振频率；各参数的表达式如下：其中，Lm为变压器原边的励磁电感；Cr1和Lr1分别为原边谐振电容和谐振电感；Req为整流桥及其后电路折算到输入侧的等效电阻；ω和ω1分别为变换器开关频率和谐振频率。本专利技术所述步骤(6)中，根据下述方法确定保证目标变换器增益曲线在工作范围内单调下降的最大电感比kmax1：将直流增益对归一化频率进行求导，得到增益导数M’与归一化频率ωn和电感比k的关系图；对关系图中曲面做M’＝0的剖面，得到增益导数M’的零点分布图；根据分布图确定满足以下特点的电感比kmax1：当k＜kmax1时，增益导数有一个零点；当k＞kmaz1时，增益导数有三个零点。本专利技术所述步骤(7)中，根据下述方法确定保证目标变换器满足增益设计要求的最大电感比kmax2：根据目标变换器最大增益Mmax与电感比k的关系Mmax＝f(k)，确定kmax2＝f’(Mmax_design)。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)在符合设计需求的前提下，根据本专利技术设计的CLLC变换器有最大的励磁电感，从而减小了谐振电流和电路损耗，提高了变换器的运行效率。(2)本专利技术的参数优化设计方法可以避免传统方法的反复迭代，优化设计过程。(3)本专利技术提出的参数优化设计方法，可以在采用高性能功率器件、增加同步整流电路等效率优化方案的基础上，无需更多硬件电路的成本投入，进一步提升变换器的效率。附图说明图1为本专利技术参数优化设计流程；图2是本专利技术中双向谐振式CLLC变换器拓扑；图3是本专利技术中双向谐振式CLLC变换器的基波等效模型；图4是增益导数M’与归一化频率ωn和电感比k的关系图；图5是对图3做M’＝0的剖面，得到的增益导数M’的零点分布图；图6是电感比k与最大增益Mmax关系图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。本专利技术拟进行参数优化设计的双向谐振式CLLC变换器，其拓扑如图2所示。其中S1～S4、S5～S8分别组成原边和副边全桥，Lrp和Lrs为谐振电感，Crp和Crs为谐振电容，Lm为变压器原边的励磁电感，n为变压器匝比；参数优化设计过程具体如下：1)根据目标变换器工作场景，设定输入电压Vin、额定输出电压Vo、输出电压范围Vomin～Vomax、谐振频率fr等参数。2)确定变压器匝比：3)计算变换器需满足的谐振腔最大增益：4)图3是本专利技术中双向谐振式CLLC变换器的基波等效模型，其中，vAB为输入电压Vin经全桥逆变所得方波的开关频率次基波分量，Lr1和Cr1为输入侧谐振电感和电容，Lm为输入侧的变压器励磁电感，Lr2和Cr2分别为输出侧谐振电感Lrs和谐振电容Crs折算到输入侧的等效电感和电容，Req为整流桥及其后电路折算到输入侧的等效电阻；各自的值表示为：根据如图3所示的CLLC变换器基波等效模型，得到其直流增益表达式式中，k为变压器励磁电感与原边谐振电感之比，Q为品质因数，ωn为归一化谐振频率；其中，部分参数的表达式如下：其中，Cr1和Lr1分别为原边谐振电容和谐振电感，ω和ω1分别为变换器开关频率和谐振频率。5)设定品质因数Q为0.3(通常取值范围是0.2～0.6，可根据实际情况进行调整)；6)确定保证CLLC变换器增益曲线在工作范围内单调下降的最大电感比kma本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)根据目标变换器的工作场景，设定输入电压V

【技术特征摘要】
1.一种双向谐振式CLLC变换器参数优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据目标变换器的工作场景，设定输入电压Vin、额定输出电压Vo、输出电压范围Vomin～Vomax和谐振频率fr；
(2)确定目标变换器中的变压器原副边匝比为
(3)计算目标变换器需满足的谐振腔最大增益为
(4)根据目标变换器的基波等效模型，得到其直流增益表达式；
(5)根据工作场景实际情况设定品质因数Q的具体数值；
(6)确定保证目标变换器增益曲线在工作范围内单调下降的最大电感比kmax1；
(7)确定保证目标变换器满足增益设计要求的最大电感比kmax2；
(8)确定满足设计要求的最大k值：kmax＝min{kmax1，kmax2}；
(9)品质因数和谐振频率的定义式如下：



根据该定义式确定原边谐振电感Lrp和原边谐振电容Crp的值；根据变压器匝比n和电感比k，确定副边谐振元件Lrs、Crs，以及变压器励磁电感Lm的值：Lrs＝Lrp/n2，Crs＝n2Crp，Lm＝kLrp；至此，完成目标双向谐振式CLLC变换器的参数设计。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙欣楠，陈敏，李博栋，陈宁，张东博，汪小青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33