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LLC谐振变换器作为谐振开关技术的重要拓扑之一,具有高效率、调压特性好、宽负载变化范围内工作特性优良等特点,广泛应用于电源供应、电动汽车充电、LED照明、太阳能电池板系统以及工业自动化等多个领域。
上期内容中我们对 LLC谐振变换器的电路结构与工作原理进行了分析,了解到变换器最为常用的调制方式为脉冲频率调制(PFM)。今天继续为大家分享 LLC谐振变换器的仿真建模及控制策略分析。
一、电路设计01电路拓扑设计
LLC谐振变换器主要包含:开关电路、谐振电路以及整流电路。这里以常用的全桥LLC变换器为例进行仿真分析,电路拓扑结构如下:
02电源技术指标设计❏输入额定电压vin:150V(130V~170V)❏输出额定电压vo:200V(180V~220V)❏输出额定功率P:900W❏谐振频率fr:100kHz03器件参数设计
▍设计原则
在实际电路设计时,一般工作在欠谐振状态(fmsr),且应该保证电路的增益M随频率单调变化。增益M与频率的关系如下式所示:
其中Q为品质因素,与负载电阻及谐振参数有关(n为变压器变比,RL为输出负载):
K为励磁电感Lm与谐振电感Lr的比值,即K=Lm/Lr;fn为电路开关频率fs关于二元谐振频率的归一化表示,fn=fs/fr。
电路的增益与频率的关系如下图:
为保障增益曲线的单调变化,电路的开关频率应大于纯阻性曲线与电路增益曲线的交点频率fi(也就是电路工作的最小开关频率fsmin),由于通常fi>fm,因此电路工作一般工作在fi~fr之间。
▍参数计算
计算变压器变比n。
确定输入电压范围Vimin、Vimax,额定输入电压Vinom,输出电压范围Vomin、Vomax,额定输出电压Vonom,额定输出功率Ponom。
根据增益曲线并结合设计原则确定参数K值与Q值。
其中,K一般取值在4~5(作为参考范围),这里取K=5;Q选取范围一般在0.3~0.6(作为参考范围),这里取Q=0.5。
计算副端输出负载电阻与原端等效电阻。
计算变压器副端输出负载电阻:
计算变压器原端等效负载阻值:
确定谐振电感Lr和谐振电容Cr。
二、电路仿真01电路模型搭建
目前,电路仿真软件很多,本次我们采用MATLAB中的可视化电路仿真软件包Simulink进行电路模型搭建。
Simulink被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
接下来就让我们一起进行LLC 谐振变换器电路模型搭建。
▍启动Simulink
打开MATLAB软件,启动Simulink;
▍模块器件选择
点击“模块库浏览器”图标进行器件选择。
以直流电压源为例,搜索“Electrical Sources”,选择“DCVoltagte Source”,拖拽至模型搭建界面;
▍参数设置
双击器件进行参数设置。
以直流电压源为例,双击电压源图标会弹出参数设置界面,填入输入额定电压值“150”V即可;
▍电路模型
重复上述步骤进行器件选择与参数设置后,按照电路拓扑结构对器件进行连接,得到的LLC谐振变换器模型如图:
02开环调试
电路模型搭建完成后,在输入与输出端添加传感器模块,并接入示波器模块中进行波形观察;然后,搭建驱动波形产生电路并输入至开关器件端。
开环调试电路如图所示:
LLC谐振变换器常用脉冲频率调制(PFM)方式,通过调节开关频率进行输出电压调节。
设置开关频率为100kHz,可以观察到输出电压为168V;然后,设置频率为70kHz,可以观察到输出电压为183V。
如此,电路输出电压波形符合预期,且可通过改变开关频率实现输出电压调节,符合电路控制规律。
03闭环调试
这里闭环采用PI控制方式,电路设计如图:
点击“运行”按钮进行拓扑电路的闭环调试,点击波形采集窗口可以观察到输出电压波形如图。
这里设置的闭环输出电压为200V,可以看到输出电压最终稳定在200V,符合变换器设计要求。
到这里,LLC谐振变换器拓扑的电路设计与仿真已经完成,电源的输出基本符合预期。
下期内容我们将继续带大家搭建实际的硬件电路平台,并配合PPEC控制核心和PPECWorkbench开发软件进行LLC谐振变换器拓扑的免代码开发。敬请期待!
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