《電子技術(shù)應用》
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基于Saber仿真的改進型半橋LLC變換器閉環(huán)電路設計
2015年微型機與應用第20期
張華北,,王直杰
東華大學 信息科學與技術(shù)學院,,上海 201620
摘要: LLC變換器是一種非常有前景的拓撲電路,然而其工作過程較為復雜,,很難建立準確的小信號模型,,因此閉環(huán)控制電路設計困難。同時,,隨著LLC變換器的廣泛使用,,其過流保護問題也日益受到關(guān)注。針對一種具有過流保護功能的改進型半橋LLC變換器,,提出了基于Saber軟件時域仿真進行補償電路設計的方法,,并設計了一款1 200 W的半橋型LLC變換器。仿真實驗驗證了該方法的正確性及可行性,,對實際工程應用有一定的指導意義,。
Abstract:
Key words :

  摘  要LLC變換器是一種非常有前景的拓撲電路,然而其工作過程較為復雜,,很難建立準確的小信號模型,,因此閉環(huán)控制電路設計困難。同時,,隨著LLC變換器的廣泛使用,,其過流保護問題也日益受到關(guān)注。針對一種具有過流保護功能的改進型半橋LLC變換器,,提出了基于Saber軟件時域仿真進行補償電路設計的方法,,并設計了一款1 200 W的半橋型LLC變換器。仿真實驗驗證了該方法的正確性及可行性,,對實際工程應用有一定的指導意義,。

  關(guān)鍵詞: LLC變換器;補償電路,;閉環(huán)控制,;時域仿真

0 引言

  LLC諧振式直流變換器由于可以實現(xiàn)原邊開關(guān)管的ZVS(Zero Voltage Switch)和副邊整流二極管的ZCS(Zero Current Switch),因而具有高效率,、高功率密度,、低EMI噪聲等優(yōu)點,,近年來受到了廣泛關(guān)注[1-2]。國內(nèi)外學者已對其拓撲結(jié)構(gòu)[3],、諧振網(wǎng)絡參數(shù)優(yōu)化設計[4-5],、控制策略[6-7]、磁集成[8]等方面進行了深入研究,。為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)指標和動態(tài)指標,,在設計開關(guān)變換器時,通常需要引入反饋控制環(huán)節(jié),。然而由于LLC變換器是一種強非線性系統(tǒng),,其工作過程非常復雜,很難建立精確的小信號模型[9-10],。同時,,隨著LLC變換器的廣泛使用,其過流保護問題也日益受到關(guān)注[11-12],?;诖耍疚尼槍σ环N具有自限流功能的改進型半橋LLC變換器[12],,提出了利用Saber仿真輔助設計閉環(huán)反饋控制電路的方法,并設計了一款400 V輸入,、48 V輸出的半橋型LLC變換器進行驗證,。

1 改進的半橋型LLC變換器的原理

  LLC變換器在實際應用中存在一些問題,其中一個主要問題是當電路啟動,、負載過重或短路時,,如何有效抑制原邊諧振電流過沖。圖1為一種有主動限流功能的改進型半橋LLC變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖,。兩個主開關(guān)Q1和Q2共同構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu),,以50%的占空比互補導通(包含死區(qū)時間)。相對于傳統(tǒng)的半橋型LLC變換器,,改進型仍然由諧振電感Lr,、諧振電容Cr、勵磁電感Lm構(gòu)成諧振網(wǎng)絡,,只是將諧振電容Cr分成了Cr1,、Cr2兩部分且并接上鉗位二極管。這樣設計會帶來兩方面的好處:(1)拆分的諧振電容會減小輸入電流紋波,,使諧振電流波形接近正弦,,減小EMI噪聲;(2)并聯(lián)的二極管在過載時會主動鉗位,,限制諧振電容兩端的電壓,,從而諧振電流也被鉗位,,防止電路損壞。

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  應用基波分析法(FHA)對半橋型LLC變換器進行穩(wěn)態(tài)分析,,得到其直流電壓增益特性曲線圖(如圖2所示),,可將其工作狀況分為3個區(qū)域:Ⅰ區(qū)LLC電路工作在感性狀態(tài),原邊開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS,,而副邊整流二極管電流連續(xù),,不能自然過零,硬關(guān)斷,;Ⅱ區(qū)LLC電路工作在感性狀態(tài),,原邊開關(guān)管能實現(xiàn)ZVS,且副邊整流二極管電流斷續(xù),,可自然過零,,能夠?qū)崿F(xiàn)ZCS,是LLC電路最理想的工作區(qū)域,;Ⅲ區(qū)諧振電路工作在容性狀態(tài),,電流超前電壓的變化,可實現(xiàn)ZCS,,是LLC電路不宜工作的區(qū)域,。由圖2可知在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū),變換器的直流電壓增益為單調(diào)遞減函數(shù),,只要調(diào)整LLC變換器的開關(guān)頻率,,即可改變直流輸出電壓的大小,所以通過引入反饋,,控制開關(guān)頻率,,可達到穩(wěn)定輸出的目的。

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2 基于Saber時域仿真的小信號模型分析

  由以上分析可知,,LLC變換器是一種變頻調(diào)制變換器,,要想對LLC變換器進行閉環(huán)補償電路設計,必須獲得原邊開關(guān)頻率fs到輸出端電壓Vo的小信號傳遞函數(shù),,即1B73.tmp.jpg,。然而,到目前為止,,現(xiàn)有文獻還未給出該傳遞函數(shù)的準確模型,,這也直接導致了LLC反饋控制回路設計的困難。

  鑒于此,,采用Saber軟件中的TDSA模塊(頻率響應分析儀)對改進的LLC變換器開環(huán)電路進行小信號時域仿真分析,,可直接獲得傳遞函數(shù)P(s)的波特圖。TDSA模塊(如圖3中右下角儀器)的output端子向待測電路中注入頻率可調(diào)的正弦信號,,input端子接入待測電路的輸出端作為反饋信號,,通過比較兩端子的信號可以獲得兩者的增益和相位關(guān)系,,即波特圖。同時,,采用Saber中的VCO模塊(壓控振蕩器)來實現(xiàn)電路的變頻控制,。

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  圖4所示為改進的LLC變換器在400 V輸入、48 V輸出,、開關(guān)頻率100 kHz,、工作于Ⅱ區(qū)的情況下,控制量開關(guān)頻率到輸出電壓的波特圖,。由波特圖可知,,由于原邊開關(guān)頻率fs與輸出端電壓Vo的變化方向相反,相頻曲線起始點位于100°附近,。當LLC變換器的開關(guān)頻率增大時,,變換器的輸出電壓會隨之變小。分析可知,,LLC變換器開環(huán)電路是高階系統(tǒng),,其開環(huán)傳遞函數(shù)存在多個零極點。其中有一個零點由電容的ESR形成,。通常在設計閉環(huán)補償電路時,,為了有較好的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)特性,希望校正后的系統(tǒng)在低頻時有較大的幅頻特性且具有一定的相位裕度(45°~75°),。由于相頻曲線起始點位于100°附近,,使開環(huán)系統(tǒng)在較寬的頻率范圍內(nèi),具有較大的相位超前特性,,導致原系統(tǒng)的相位裕度過大。原系統(tǒng)低頻段幅頻特性斜率為-10 dB/dec,,故希望有較大的增益,,這樣可以獲得較好的動態(tài)特性。原系統(tǒng)中頻段幅頻特性斜率為-40 dB/dec,,滿足要求,,無需補償。在高頻段,,原系統(tǒng)的相頻特性有較大振蕩,,這給系統(tǒng)帶來了不穩(wěn)定的因素,因此希望校正后的系統(tǒng)在高頻環(huán)節(jié)能夠盡量下降得快些,,同時有利于抑制高頻開關(guān)噪聲,。

  參考文獻[9]指出可以通過擴展描述函數(shù)法對LLC變換器進行小信號建模,獲得其系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點分布,,并指出在區(qū)域Ⅰ有一個與輸出濾波電容,、負載和諧振電路參數(shù)有關(guān)的低頻極點,,一雙重極點和一個與電容ESR有關(guān)的零點。當開關(guān)頻率靠近諧振頻率時,,一個移向高頻處,,一個向低頻極點靠近。由于負載變動時,,閉環(huán)控制的LLC變換器會通過改變頻率調(diào)整電壓增益改變輸出,,因此實際上此時LLC變換器也可能隨著負載的變動工作于Ⅰ區(qū)。綜合考慮,,在此選擇雙零點雙極點補償器(補償電路和波特圖如圖5所示),,它結(jié)合超前補償與滯后補償?shù)奶匦裕l(fā)揮滯后補償特性提高靜態(tài)性能,,利用超前補償特性提高相對穩(wěn)定性和動態(tài)性能,。雙零點雙極點補償電路對應的傳遞函數(shù)如式(1)所示,通過對轉(zhuǎn)折點1CF5.tmp.jpg頻率的設定,,可方便靈活地實現(xiàn)各頻率段的補償,,通過改變1D6A.tmp.jpg的值,可以使系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖上下移動,,從而改變增益和相位的裕量,。這樣,即可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)補償電路的設計,。補償后的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖如圖6所示,。

 1F02.tmp.jpg

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  同時,選擇雙零點雙極點補償電路還有一個優(yōu)點,,即可很容易得到其Z域變換方程(如式(1)所示),,并且可方便差分化,易于在DSP系統(tǒng)編程實現(xiàn),,其相應差分方程如式(3)所示,。

 1F82.tmp.jpg

  u(k)=b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)-a1u(k-1)-a2u(k-2)(3)

3 仿真實驗驗證

  基于Saber軟件時域仿真,在此設計一款額定工作頻率100 kHz,,額定輸入400 V,,額定輸出1 200 kW(48 V/25 A)的閉環(huán)半橋LLC變換器進行實驗驗證。電路參數(shù):Lr=10 μH,,Lm=58 μH,,Cr1=110 nF,Cr2=110 nF,,濾波電容Co=4 000 μF,,變壓器匝比2.5∶1。圖7為其開環(huán)電路滿載時輸出電壓波形,,可以看出其超調(diào)量近20%,。圖8為其閉環(huán)電路滿載和在0.025 s切換到半載時輸出電壓的波形,,圖9為此情況下相應的諧振電流波形。仿真實驗結(jié)果表明,,在滿載和半載時所設計電路都能達到較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標,,同時諧振電流波形未出現(xiàn)電流過沖的尖峰,表明改進的LLC拓撲電路在電路啟動時達到了主動限流的作用,,保護了電路元件,。

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4 結(jié)論

  LLC諧振變換器工作過程復雜,小信號建模比較困難,,本文利用Saber對一種具有自限流功能的半橋LLC變換器進行時域仿真,,得到簡化的小信號模型,進而實現(xiàn)閉環(huán)反饋補償電路的設計,,仿真實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性和可行性,。

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