摘 要: LLC變換器是一種非常有前景的拓?fù)潆娐?,然而其工作過程較為復(fù)雜,很難建立準(zhǔn)確的小信號模型,,因此閉環(huán)控制電路設(shè)計困難,。同時,隨著LLC變換器的廣泛使用,,其過流保護(hù)問題也日益受到關(guān)注,。針對一種具有過流保護(hù)功能的改進(jìn)型半橋LLC變換器,提出了基于Saber軟件時域仿真進(jìn)行補(bǔ)償電路設(shè)計的方法,,并設(shè)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(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞: LLC變換器,;補(bǔ)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(diǎn),,近年來受到了廣泛關(guān)注[1-2],。國內(nèi)外學(xué)者已對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]、諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[4-5],、控制策略[6-7],、磁集成[8]等方面進(jìn)行了深入研究。為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo),,在設(shè)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(qiáng)非線性系統(tǒng),,其工作過程非常復(fù)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(hù)問題也日益受到關(guān)注[11-12]?;诖?,本文針對一種具有自限流功能的改進(jìn)型半橋LLC變換器[12],提出了利用Saber仿真輔助設(shè)計閉環(huán)反饋控制電路的方法,,并設(shè)計了一款400 V輸入,、48 V輸出的半橋型LLC變換器進(jìn)行驗證。
1 改進(jìn)的半橋型LLC變換器的原理
LLC變換器在實際應(yīng)用中存在一些問題,,其中一個主要問題是當(dāng)電路啟動,、負(fù)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(jìn)型半橋LLC變換器拓?fù)浣Y(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(bǔ)導(dǎo)通(包含死區(qū)時間),。相對于傳統(tǒng)的半橋型LLC變換器,,改進(jìn)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(luò),,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(shè)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,。
應(yīng)用基波分析法(FHA)對半橋型LLC變換器進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定輸出的目的,。
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(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償電路設(shè)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,。然而,,到目前為止,,現(xiàn)有文獻(xiàn)還未給出該傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確模型,這也直接導(dǎo)致了LLC反饋控制回路設(shè)計的困難,。
鑒于此,,采用Saber軟件中的TDSA模塊(頻率響應(yīng)分析儀)對改進(jìn)的LLC變換器開環(huán)電路進(jìn)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,。
圖4所示為改進(jìn)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(diǎn)位于100°附近。當(dāng)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(diǎn),。其中有一個零點(diǎn)由電容的ESR形成。通常在設(shè)計閉環(huán)補(bǔ)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(diǎn)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(dǎo)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(bǔ)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(xiàn)[9]指出可以通過擴(kuò)展描述函數(shù)法對LLC變換器進(jìn)行小信號建模,獲得其系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布,,并指出在區(qū)域Ⅰ有一個與輸出濾波電容,、負(fù)載和諧振電路參數(shù)有關(guān)的低頻極點(diǎn),一雙重極點(diǎn)和一個與電容ESR有關(guān)的零點(diǎn),。當(dāng)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(diǎn)靠近,。由于負(fù)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(fù)載的變動工作于Ⅰ區(qū),。綜合考慮,,在此選擇雙零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償器(補(bǔ)償電路和波特圖如圖5所示),它結(jié)合超前補(bǔ)償與滯后補(bǔ)償?shù)奶匦?,發(fā)揮滯后補(bǔ)償特性提高靜態(tài)性能,,利用超前補(bǔ)償特性提高相對穩(wěn)定性和動態(tài)性能。雙零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償電路對應(yīng)的傳遞函數(shù)如式(1)所示,,通過對轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率的設(shè)定,,可方便靈活地實現(xiàn)各頻率段的補(bǔ)償,通過改變
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(bǔ)償電路的設(shè)計,。補(bǔ)償后的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖如圖6所示。
同時,,選擇雙零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償電路還有一個優(yōu)點(diǎn),,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(yīng)差分方程如式(3)所示,。
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(shè)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(jìn)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(yīng)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(shè)計電路都能達(dá)到較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo),,同時諧振電流波形未出現(xiàn)電流過沖的尖峰,,表明改進(jìn)的LLC拓?fù)潆娐吩陔娐穯訒r達(dá)到了主動限流的作用,保護(hù)了電路元件,。
4 結(jié)論
LLC諧振變換器工作過程復(fù)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(jìn)行時域仿真,,得到簡化的小信號模型,,進(jìn)而實現(xiàn)閉環(huán)反饋補(bǔ)償電路的設(shè)計,仿真實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性和可行性,。
參考文獻(xiàn)
[1] YANG B,, LEE F C, ZHANG A J,, et al. LLC resonant converter for front end DC/DC conversion[C]. Seventeerth Annual IEEE,, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2002,, 2002,,2:1108-1112.
[2] Fu Dianbo, LEE F C,, Liu Ya,, et al. Novel multi-element resonant converters for front-end DC/DC converters[C]. Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC 2008,, 2008:250-256.
[3] Yang Bo. Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system[D]. Virginia Polytechnic Institute and State University,, USA, 2003.
[4] STMicroelectronics. LLC resonant half-bridge converter design guideline[S]. 2009.
[5] Lu Bing,, Liu Wenduo,, Liang Yan,, et al. Optimal design methodology for LLC resonant converter[C]. Twenty-First Annual IEEE Applied Power Elecfronics Conference and Exposition, 2006,, APEC′06,, 2006:533-538.
[6] JU W C. LLC DC/DC resonant converter with PLL control scheme[D]. National Cheng Kung University, 2006.
[7] Hang Lijun,, Lu Zhengyu,, Qian Zhaoming. Research of digital control strategy for multi-resonant LLC converter[C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2007:479-484.
[8] Yang Bo,, Chen Rengang,, LEE F C. Integrated magnetic for LLC resonant converter[C]. Seventkenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2002,, 2002,, 2:346-351.
[9] YANG E X. Extended describing function method for small-signal modeling of resonant and multi-resonant converters[J]. Dissertation, Virginia Tech,, Black sburg,, VA, February 1994.
[10] LAZAR,, MARTINELLI R. Stedy-state analysis of the LLC series resonant converter[C]. Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,, APEC 2001, 2001,,2:728-735.
[11] Xie Xiaogao,, Zhang Junming, Zhao Chen,, et al. Analysis and optimization of LLC resonant converter with a novel over current protection circuit[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,, 2007, 22:435-443.
[12] YANG B,, LEE F C,, CONCANNON M. Over current protection methods for LLC resonant converter[C]. Proceedings of 18th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2003:605-609.