基于Saber仿真的改進型半橋LLC變換器閉環(huán)電路設(shè)計

張華北，王直杰（東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620）

基于Saber仿真的改進型半橋LLC變換器閉環(huán)電路設(shè)計

張華北，王直杰
（東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620）

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(shè)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(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)用有一定的指導意義。

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(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(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］。基于此，本文針對一種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(shè)計閉環(huán)反饋控制電路的方法，并設(shè)計了一款400V輸入、48V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(yīng)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(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。

圖1 改進的LLC變換器主電路

應(yīng)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。

圖2 LLC變換器直流電壓增益特性（Lm/Lr=5）

2 基于Saber時域仿真的小信號模型分析

鑒于此，采用Saber軟件中的TDSA模塊（頻率響應(yīng)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。

圖3 改進的半橋LLC變換器小信號仿真模型

圖4所示為改進的LLC變換器在400V輸入、48V輸出、開關(guān)頻率100kHz、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(shè)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-40dB/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。

圖4 開環(huán)LLC半橋變換器時域仿真波特圖

圖5 雙零點雙極點補償電路（a）及其波特圖（b）

圖6 閉環(huán)LLC半橋變換器時域仿真波特圖

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(yīng)差分方程如式（3）所示。

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100kHz，額定輸入400V，額定輸出1 200kW（48V/25A）的閉環(huán)半橋LLC變換器進行實驗驗證。電路參數(shù)：Lr=10μH，Lm=58μH，Cr1=110nF，Cr2=110nF，濾波電容Co=4 000μF，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0.025s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。

圖7 開環(huán)電路輸出電壓波形

圖8 閉環(huán)電路在滿載及半載時輸出電壓波形

圖9 閉環(huán)電路在滿載及半載時諧振電流波形

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(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

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Design of closed loop circuit for improved half bridge LLC converter based on Saber

Zhang Huabei，Wang Zhijie
（School of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

LLC converter is a very promising topology circuit，however，its working process is so complicated that it is difficult to establish an accurate small signal model and design the closed loop control circuit.At the same time，with the wide use of LLC converter，its over-current protection issue is getting more and more attention.By discussing an improved half bridge LLC converter with over-current protection function，this paper proposes to design compensation circuits based on Saber time domain simulation and a 1 200 W half bridge LLC converter is built.The simulation and experimental results verify the correctness and feasibility of the design methods，which give certain guide for practical engineering applications.

LLC converter；compensation circuits；closed loop control；time domain simulation

TM464

A

1674-7720（2015）20-0028-03

張華北，王直杰.基于Saber仿真的改進型半橋 LLC變換器閉環(huán)電路設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（20）：28-30，35.

2015-06-29）

張華北（1988-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子應(yīng)用，智能系統(tǒng)。E-mail：ZHB100@163.com。

王直杰（1969-），男，教授，博士生導師，主要研究方向：復雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模與仿真，智能計算與智能系統(tǒng)。