2017 年 4 月 15 日电源网中国工程师巡回培训会南京航空航天大学周洁敏南京天丰大酒店

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候杜
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1 2017 年 4 月 15 日电源网中国工程师巡回培训会南京航空航天大学周洁敏南京天丰大酒店

2 专题 LLC 半桥谐振电感设计 1 谐振变换器拓扑简介 2 对谐振电感的要求 3 适合做谐振电感的磁性材料 4 电感设计举例

3 1 谐振变换器拓扑简介 LLC 谐振变换器近年来一直得到关注和长足的研究, 对于中大功率场合则用半桥 LLC 变换器, 大功率电源则用全桥 LLC 谐振变换器相同功率下, 主电路是半桥和全桥的区别在于半桥电路的电压应力是全桥的一半, 而电流应力是全桥电路的 2 倍

4 全桥 LLC 谐振变换器半桥 LLC 谐振变换器

5 以半桥变换器的谐振电感为例进行分析

6 为分析方便起见, 假设 1 输出电容很大 2 输出电压基本不变

7 主要优点 : 1 原边 MOS 管 ZVS 开通, 副边管子 ZCS 关断 ; 2 电路结构简单, 效率比较高 ; 3 高频和高功率密度 ; 4 电路的输入电压范围和输出功率范围比较大 ; 5 原边和副边管子上的电压应力比较低

8 缺点 : 1 短路时, 原边电流比较高 ; 2 电路中的电流有效值比较高

9 设计的基本要求 (1) 负载从满负载到空载变化时, 都能实现 ZVS( 对 MOS 管而言,ZVS 最好 ), 器件的开通损耗较小 ; (2) 器件的关断电流, 能控制在较小值, 进而减小了器件关断损耗, 副边二极管可实现 ZCS, 不存在反向恢复的问题,EMI 小 ; (3) 在输入电压变化范围较大时, 仍能实现输出电压的稳定调节

10 串联谐振频率 1 f r = 2π 1 L C r r 谐振电容谐振电感 C r L r 当主变压器的原边电压被输出电压钳位时负载电流由副边绕组供电变压器的激磁电感不参与谐振

11 串联谐振频率 2 f m = 1 2π ( L + L ) C r m r 其中 : 激磁电感 Lm i = i 当 Lr Lm 时负载电流由滤波电容供电变压器原副边没有电流流通

12 f s LLC 的工作频率 f s 有 3 种可能, 即 < f m fm < fs < fr f s > f r 必须让其工作在区域 1 和区域 2, 绝对不能在区域 3

13 (1) f > f s r 输入阻抗是感性, 原边功率管能实现 ZVS, 也即功率管开通前, 其反并续流二极管导通副边整流二极管, 无法实现零电流 ZCS 关断

14 (2) f m < fs < f r 激磁电流线性增长 VT 1 ON 激磁电流等于谐振电流 L m 参与谐振激磁电流反向线性增长 L m 参与谐振副边两整流管均截止

15 副边的整流管能实现零电流 ZCS 关断输入阻抗是感性, 原边功率管能实现 ZVS, 即功率开通前, 其反并续流二极管导通

16 (3) f f s = 是理想工作点和效率最高点 r T1 时刻 :VT 1 ON, 变压器. 端为正 T3 时刻 :VT 2 ON, 变压器. 端为负

17 输入阻抗是感性, 原边功率管能实现 ZVS, 也即功率开通前, 其反并续流二极管导通副边整流管能实现零电流 ZCS 关断, 从而消除二极管关断的恢复时间

18 2 对谐振电感的要求谐振频率由电容和电感确定的, 即 f r = 2π 1 L C r r 特征阻抗 : Z r = L C r r

19 Z r = L C r r 如果谐振电容 C r 过大, 特征阻抗 Z r 小, 则其上电压上升缓慢, 谐振槽路的电流过大 ; 如果谐振电感 L r 过大, 则谐振支路电流较小, 电流应力较小

20 3 适合做谐振电感的磁性材料 (1) 根据谐振电感中的电流波形可知磁芯工作在 1,3 象限根据电路拓扑结构, 谐振电感处于原边高交流应力下

21 工作频率高或交流电流大时, 磁通密度摆幅也更大, 磁芯损耗占主要地位, 成为限制磁性材料选择的绝对因素

22 几种磁性材料的损耗比较

23 (2) 由于磁材料的磁导率会受到温度的影响谐振电感又是电路中的主要参数, 因此谐振电感对温度稳定性要求高

24 单纯从损耗看适合做谐振电感的材料有 : MPP Kool Mμ 和间隙铁氧体材料是优选但温度特性怎样?

25 铁氧体材料磁导率随温度变化特性曲线

26 几种粉芯材料的温度稳定性

27 粉芯材料的磁导率与温度稳定性的关系

28 (3) 磁导率与直流偏磁的关系及磁导率与交流磁通密度的关系如果选择磁粉芯材料, 则磁导率随着直流偏磁及交流磁通密度是如何变化的?

29 磁导率随着直流偏磁的变化特性

30 磁导率与交流磁通密度的关系

31 根据上述分析, 可以选用 MPP 较低磁导率磁芯为谐振电感材料, 但价格昂贵

32 4 电感设计举例 (1)LLC 半桥变换器的设计要求

33 VT 1 和 VT 2 互补导通, 各占 50% LLC 主变压器变比的选取在最低输入电压下选取, 则变比为 U min 350 n i U 4 24 o

34 在进行损耗分析前, 做一些定义品质因数 : Z π L Q n R n R C 2 r r 2 2 eq 8 L r 电感系数 : k Lm L L m r 归一化频率 : k f f f s r

35 在已知电路其它参数的前提条件下, 电路总损耗仅与主变压器的激磁电感 L m 有关理想区域

36 实际谐振频率选取常以损耗作为重要因素 n U o Tr (2 T Tr ) π I o T Ptotal ( R P _on 2 R Lr 2 R T p ) 32 L mt 8n Tr (5 π 48) nu o Tr I o T ( R s_on 2 R T s ) 96 π L mt 8Tr Referency:Jun Zhang, William G. Hurley Optimized Design of LLC Resonant Converters Incorporating Planar Magnetics /13/$ IEEE

37 M 式中 : 增益分析 2 nu o 1 U i k 2 f Q k Lm k f k f k Lm L k = f m s = f Lr fr 2 2 Z π L Q n R n R C 2 r r 2 2 eq 8 L r

38 L m = L L m = 650μH Lm = Lm_max m_min 激磁电感越大, 增益越大

39 实际的谐振频率选取受到增益损耗等诸多因素的影响, 可进行变换器的损耗分析和优化设计, 获得归一化电感范围选取品质因数 Q π L 2 = r 2 8n RL C = r 电感系数 k Lm L L m r 4.5

40 选取品质因数 Q 8 π 2 2 n RL L C r r k 电感系数 Lm L m = = L r 4.5

41 考虑到空载和谐振支路的峰值电流变压器激磁电感为 L = m 480μH 谐振电感为 L = L / k = 480 / 4.5 = 106μH C r r m Lm 谐振电容 π 3.14 L 2 r 2 8n RLk y nF

42 考虑到空载和谐振支路的峰值电流变压器激磁电感为 L = m 480μH 谐振电感总值为 L = L / k = 480 / 4.5 = 106μH rt m Lm 需要说明的是谐振电感包含了变压器漏感, 如果漏感不足, 则需要专门的谐振电感

43 谐振频率 1 f r kHz 6 9 2π L C rt r T = r 9.2μs 谐振频率 2 f m π ( L L ) C ( ) rt m r 46.5kHz

44 特征阻抗 Z L rt 2 r = = = = 73W -9 Cr 归一化频率谐振支路的峰值电流 k f f s = = = f r I πi nu o o rp 3 6 2nkf 4 fr Lm A

45 谐振支路电流有效值为 I Io n UoTr (2 T Tr ) π IoT r_rms Im n 32LmT 8n Tr ( ) (20 9.2) (10 10 ) 32 ( ) ( ) A 用于计算导线直径

46 (2) 采用 MPP 粉芯进行电感设计谐振电感参数影响电路性能, 需要温度稳定性好和磁化稳定性好, 由于承受高交流应力, 磁芯损耗和线圈损耗都希望很低

47 粗选磁芯尺寸设需要的谐振电感量为 L = r 50μH 计算电感需要的最大储能 W Lr Irp mH A

48 MPP 磁粉芯的选取考虑到直流磁化和交流磁化下磁导率均会下降, 故选择磁导率低一级的磁芯如图 125u 这种牌号的磁芯

49 最接近的磁芯是 55310

50 55310 的磁导率和电感因数 1000 匝电感因数 : 6 A L 90(1 8%) 10 mh 求匝数 : N L r 6 3 AL

51 计算磁通密度谐振电感电流峰值 I rp = 2.19A H p 0.4πNI rp l c Oe Bp H p Gs

52 峰值电流时电感量将下降, 通常磁导率下降到 80% 是允许的, 否则要更换磁导率更低的磁芯 H = 12.1Oe p

53 磁导率随工作频率的变化 : 100kHz 时, 变化率为 1.2%

54 磁导率随交流磁通密度的变化 :1.2% Bp 1516Gs

55 磁芯损耗分析磁芯损耗由于材料中磁场强度的变化产生, 磁芯损耗密度 (P cv ) 是交流磁通摆动 (½ B=B p ) 的半值和频率 ( f ) 的函数

56 磁芯损耗分析磁芯损耗密度 P cv b p ab f c 式中 a,b,c 是由曲线契合度决定的常数交流磁通摆幅的一半 B p B Bmax 2 2 B min P cv 的常用单位为 mw/cm 3 ;B p 为 T, f 为 (khz)

57 为了方便起见厂家把损耗特性曲线做好, 直接查找 ARNOLD 公司的产品手册

58 P P V 3 3 c cv c (mW/ cm mm ) 2.16 W

59 计算导线尺寸取电流密度 j = 导线所需截面积 5A/mm 100 C,100kHz 集肤深度 A 2 I mm j 5A/mm r_rms 2 Cu cm=0.24mm 说明 : 由于谐振电感中流过高频交流, 不同于直流滤波电感

60 计算导线尺寸导线直径不大于 2 倍集肤深度, 裸直径 d 0.45mm 带外皮直径单股导线截面积 ' d 0.51mm A = Cun 0.159mm 采用多股导线绞绕, 导线的股数 N n = / = 2 2

61 55310 磁芯, 求第 1 层可绕制的最大匝数 N ' π( din 2 d ) 3.14 ( ) 1 ' d 只需要绕 25 匝, 一层能绕下

62 55310 绕组因子与填充系数有关 : 单层小于 35%, 满填充 35-45%, 高填充,65%

63 25 匝长度 l25 = Nlav = = 828mm 20 C, 直径 0.45 导线的单位长度电阻 -1 r 0.11Ωm -1 Rdc Ω m 828mm=0.091 R o dc100 C

64 求交流电阻和交流损耗铜层系数 F N d d l ' l / / 圆导线的有效高度 h d d d ' 0.83 / / 等效铜层厚度 Q h F l

65 Rac F R 6.8

66 线圈损耗计算 P = I 2 R dc dc dc 直流损耗可以忽略主要是交流损耗 P I R I R ac ac ac r_rms ac W 总损耗 P Pc PW W 谐振电感损耗 : 磁芯损耗和线圈损耗同样重要

67 温升计算磁性元件中的热量消耗来自于交流铜损和交流磁芯损耗热损耗和温升 (ΔT) 由多种因素引起, 因此没有精确计算 ΔT 值的简便方法但通过下述公式, 可有效地估算无空气对流状况下的 ΔT P t T As 功率单位 mw, 表面积单位 cm 2

68 温升计算 P t T As C 功率单位 mw, 表面积单位 cm 2

69 小结 1 谐振电感处于高交流应力下 2 线圈直流电阻损耗可以不计, 但交流损耗比较大, 因此不同于直流滤波电感交流电阻计算时必须考虑集肤效应的影响 3 直流滤波电感的磁芯损耗较小 ( 饱和限制磁芯选择 ), 而谐振电感磁芯工作在 1,3 象限, 磁芯损耗也大, 既要考虑饱和问题, 也要考虑损耗问题

70 小结 4 谐振电感的参数对电路的工作点影响大, 因此除了考虑损耗问题外, 必须考虑温度稳定性的影响通常选用 MPP, 但价格高, 也可以选择 kool mu, 但温度特性差些 5 设计时采用高 u 值材料容易出现磁导率受直流磁化和高频影响而下降, 一般允许下降 80% 左右, 为此可以选取低一个 u 值的材料进行计算

71 6 温升受很多因素的影响, 在没有对流的条件下工作常采用经验公式计算温升是磁元件设计根本, 且不可忽略谢谢大家!

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2017 年 4 月 15 日 电源网中国工程师巡回培训会 南京航空航天大学周洁敏 南京天丰大酒店

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