文獻(xiàn)筆記8---LLC變換器的平面磁設(shè)計(jì)與整體參數(shù)優(yōu)化

前言

LLC諧振變換器在消費(fèi)類電子、車載電源、充電樁、光伏等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對功率密度和效率的提高、盡可能地發(fā)揮LLC變換器的優(yōu)勢，平面磁技術(shù)被應(yīng)用于變換器的磁設(shè)計(jì)，已有學(xué)者對LLC的磁集成技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了相應(yīng)的成果。

1 概述

工作頻率、諧振參數(shù)、磁器件等參數(shù)對變換器的整體效率存在耦合關(guān)系，傳統(tǒng)的分步優(yōu)化設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)整體效率的提升。已有文獻(xiàn)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)變壓器中柱寬度與繞組線寬，再優(yōu)化設(shè)計(jì)變壓器中柱長度。或按照諧振腔參數(shù)、變壓器中柱寬度與繞組線寬、工作頻率、變壓器中柱長度的順序分步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程考慮的參數(shù)較為完整，其優(yōu)化過程有明確的物理意義。但這些參數(shù)對變換器整體效率的影響存在耦合關(guān)系，采用分步設(shè)計(jì)的方法，不僅可能需要反復(fù)迭代增大工作量，同時(shí)可能得不到全局效率最優(yōu)的參數(shù)設(shè)計(jì)。針對平面磁器件，學(xué)者提出了一種工作頻率、諧振腔參數(shù)、平面磁元件尺寸等參數(shù)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)變換器理論最高峰值效率為目標(biāo)，并研制了3kW LLC變換器實(shí)驗(yàn)平臺，對優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明了設(shè)計(jì)的有效性。

2 相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化方法

平面磁性通常用于設(shè)計(jì)矩陣變壓器設(shè)計(jì)，其LLC變換器拓?fù)淙鐖D1所示。拓?fù)湫问綖榍凹壌?lián)后級并聯(lián)，這種拓?fù)溥m用于高壓輸入，低壓大電流輸出場合。Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，VAB為變換器橋臂中點(diǎn)電壓，Vgs_pri為一次側(cè)開關(guān)管驅(qū)動電壓，Vds_sec為二次側(cè)開關(guān)管漏源電壓，iLr為諧振腔電流，n為變壓器電壓比。

應(yīng)用設(shè)計(jì)流程：

① 確定優(yōu)化參數(shù)及取值范圍。

② 確定變換器效率表達(dá)式，包括開關(guān)損耗、磁元件銅損、鐵損，及變換器的整體效率。

變換器開關(guān)器件和磁元件總損耗可表示為

變換器整體效率表達(dá)為

③ 確定限制條件：調(diào)壓范圍，電流應(yīng)力，諧振電容紋波，磁芯的飽和和體積，其他功率點(diǎn)的效率要求。

LLC變換器的理論最大增益由電感比λ和滿載最大品質(zhì)因數(shù)Qmax決定，設(shè)計(jì)時(shí)可使?jié)M載最大品質(zhì) 因數(shù)小于臨界值為

為使開關(guān)管滿載電流有效值小于開關(guān)管100℃ 允許最大值，并留有一定余量，可表示為不等式條件，即

限制諧振電容最大電壓紋波峰值不超過耐壓值并留有一定余量，可表示為

其他部分計(jì)算方法相似，依次類推，得到最優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。將工作頻率、諧振腔參數(shù)、平面磁元件尺寸等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)表示成單目標(biāo)、多參數(shù)的非線性優(yōu)化問題為

該問題的求解可以通過遺傳算法等方法。考慮到優(yōu)化參數(shù)均為有實(shí)際物理意義和加工工藝限制的變量，因此采用遍歷尋優(yōu)的方法也可以得到較為準(zhǔn)確的理論最高效率和最優(yōu)參數(shù)取值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果搭建了輸入電壓400V，輸出電壓50V，滿載功率3kW，整體采用風(fēng)冷散熱方式的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，PCB部分由兩塊5oz銅厚的6層板構(gòu)成。樣機(jī)尺寸120 mm×70 mm×14 mm，磁元件尺寸70 mm×53 mm×14 mm，功率密度達(dá)到了510W/in3。樣機(jī)如圖2所示。

變換器400V輸入、50V輸出的額定工作狀態(tài)下，輸出功率分別為1.5 kW（半載，峰值效率點(diǎn)）和3kW（滿載）的實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。

該文提出的整體優(yōu)化方法以實(shí)現(xiàn)最高效率為目標(biāo)，將工作頻率、諧振腔參數(shù)、平面磁元件尺寸等作為優(yōu)化參數(shù)，將變換器實(shí)際工程應(yīng)用的要求表示為限制條件，將相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)多變量的非線性規(guī)劃問題，從而無需反復(fù)迭代即可得到理論最高峰值效率和優(yōu)化參數(shù)的設(shè)計(jì)值。與傳統(tǒng)分布優(yōu)化方法相比，該方法使效率得到了提高。研制的3kW樣機(jī)峰值效率99%，滿載效率98%+。該優(yōu)化方法對工程應(yīng)用和LLC的優(yōu)化具有指導(dǎo)借鑒和指導(dǎo)意義。