LLC諧振變換器仿真建模與控制策略分析

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LLC諧振變換器作為諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)的重要拓?fù)渲?，具有高效率、調(diào)壓特性好、寬負(fù)載變化范圍內(nèi)工作特性優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電源供應(yīng)、電動(dòng)汽車(chē)充電、LED照明、太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)以及工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域。

上期內(nèi)容中我們對(duì) LLC諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了分析，了解到變換器最為常用的調(diào)制方式為脈沖頻率調(diào)制（PFM）。今天繼續(xù)為大家分享 LLC諧振變換器的仿真建模及控制策略分析。

一、電路設(shè)計(jì)01電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

LLC諧振變換器主要包含：開(kāi)關(guān)電路、諧振電路以及整流電路。這里以常用的全橋LLC變換器為例進(jìn)行仿真分析，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

02電源技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)?輸入額定電壓vin：150V(130V~170V)?輸出額定電壓vo：200V(180V~220V)?輸出額定功率P：900W?諧振頻率fr：100kHz03器件參數(shù)設(shè)計(jì)

▍設(shè)計(jì)原則

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，一般工作在欠諧振狀態(tài)（fmsr），且應(yīng)該保證電路的增益M隨頻率單調(diào)變化。增益M與頻率的關(guān)系如下式所示：

其中Q為品質(zhì)因素，與負(fù)載電阻及諧振參數(shù)有關(guān)（n為變壓器變比，RL為輸出負(fù)載）:

K為勵(lì)磁電感Lm與諧振電感Lr的比值，即K=Lm/Lr；fn為電路開(kāi)關(guān)頻率fs關(guān)于二元諧振頻率的歸一化表示，fn=fs/fr。

電路的增益與頻率的關(guān)系如下圖：

為保障增益曲線的單調(diào)變化，電路的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)大于純阻性曲線與電路增益曲線的交點(diǎn)頻率fi（也就是電路工作的最小開(kāi)關(guān)頻率fsmin），由于通常fi>fm，因此電路工作一般工作在fi~fr之間。

▍參數(shù)計(jì)算

計(jì)算變壓器變比n。

確定輸入電壓范圍Vimin、Vimax，額定輸入電壓Vinom，輸出電壓范圍Vomin、Vomax，額定輸出電壓Vonom，額定輸出功率Ponom。

根據(jù)增益曲線并結(jié)合設(shè)計(jì)原則確定參數(shù)K值與Q值。

其中，K一般取值在4~5（作為參考范圍），這里取K=5；Q選取范圍一般在0.3~0.6（作為參考范圍），這里取Q=0.5。

計(jì)算副端輸出負(fù)載電阻與原端等效電阻。

計(jì)算變壓器副端輸出負(fù)載電阻：

計(jì)算變壓器原端等效負(fù)載阻值：

確定諧振電感Lr和諧振電容Cr。

二、電路仿真01電路模型搭建

目前，電路仿真軟件很多，本次我們采用MATLAB中的可視化電路仿真軟件包Simulink進(jìn)行電路模型搭建。

Simulink被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。

接下來(lái)就讓我們一起進(jìn)行LLC 諧振變換器電路模型搭建。

▍啟動(dòng)Simulink

打開(kāi)MATLAB軟件，啟動(dòng)Simulink；

▍模塊器件選擇

點(diǎn)擊“模塊庫(kù)瀏覽器”圖標(biāo)進(jìn)行器件選擇。

以直流電壓源為例，搜索“Electrical Sources”，選擇“DCVoltagte Source”，拖拽至模型搭建界面；

▍參數(shù)設(shè)置

雙擊器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

以直流電壓源為例，雙擊電壓源圖標(biāo)會(huì)彈出參數(shù)設(shè)置界面，填入輸入額定電壓值“150”V即可;

▍電路模型

重復(fù)上述步驟進(jìn)行器件選擇與參數(shù)設(shè)置后，按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)器件進(jìn)行連接,得到的LLC諧振變換器模型如圖：

02開(kāi)環(huán)調(diào)試

電路模型搭建完成后，在輸入與輸出端添加傳感器模塊，并接入示波器模塊中進(jìn)行波形觀察；然后,搭建驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生電路并輸入至開(kāi)關(guān)器件端。

開(kāi)環(huán)調(diào)試電路如圖所示：

LLC諧振變換器常用脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)。

設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，可以觀察到輸出電壓為168V；然后，設(shè)置頻率為70kHz，可以觀察到輸出電壓為183V。

如此，電路輸出電壓波形符合預(yù)期，且可通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，符合電路控制規(guī)律。

03閉環(huán)調(diào)試

這里閉環(huán)采用PI控制方式，電路設(shè)計(jì)如圖：

點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕進(jìn)行拓?fù)潆娐返拈]環(huán)調(diào)試，點(diǎn)擊波形采集窗口可以觀察到輸出電壓波形如圖。

這里設(shè)置的閉環(huán)輸出電壓為200V，可以看到輸出電壓最終穩(wěn)定在200V，符合變換器設(shè)計(jì)要求。

到這里，LLC諧振變換器拓?fù)涞碾娐吩O(shè)計(jì)與仿真已經(jīng)完成，電源的輸出基本符合預(yù)期。

下期內(nèi)容我們將繼續(xù)帶大家搭建實(shí)際的硬件電路平臺(tái)，并配合PPEC控制核心和PPECWorkbench開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行LLC諧振變換器拓?fù)涞拿獯a開(kāi)發(fā)。敬請(qǐng)期待！