LLC谐振变换器仿真建模与控制策略分析

欢迎来到「森木磊石技术微课堂」。

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！