基于基于Saber仿真的改进型半桥仿真的改进型半桥LLC变换器闭环电路设计变换器闭环电路设计
LLC变换器是一种非常有前景的拓扑电路,然而其工作过程较为复杂,很难建立准确的小信号模型,因此闭环控
制电路设计困难。同时,随着LLC变换器的广泛使用,其过流保护问题也日益受到关注。针对一种具有过流保护
功能的改进型半桥LLC变换器,提出了基于Saber软件时域仿真进行补偿电路设计的方法,并设计了一款1 200
W的半桥型LLC变换器。仿真实验验证了该方法的正确性及可行性,对实际工程应用有一定的指导意义。
摘摘 要要:
关键词关键词: LLC变换器;补偿电路;闭环控制;时域仿真
0 引言引言
LLC谐振式直流变换器由于可以实现原边开关管的ZVS(Zero Voltage Switch)和副边整流二极管的ZCS(Zero Current
Switch),因而具有高效率、高功率密度、低EMI噪声等优点,近年来受到了广泛关注[1-2]。国内外学者已对其拓扑结构[3]、
谐振网络参数优化设计[4-5]、控制策略[6-7]、磁集成[8]等方面进行了深入研究。为了获得良好的稳态指标和动态指标,在设
计开关变换器时,通常需要引入反馈控制环节。然而由于LLC变换器是一种强非线性系统,其工作过程非常复杂,很难建立精
确的小信号模型[9-10]。同时,随着LLC变换器的广泛使用,其过流保护问题也日益受到关注[11-12]。基于此,本文针对一种
具有自限流功能的改进型半桥LLC变换器[12],提出了利用Saber仿真辅助设计闭环反馈控制电路的方法,并设计了一款400 V
输入、48 V输出的半桥型LLC变换器进行验证。
1 改进的半桥型改进的半桥型LLC变换器的原理变换器的原理
LLC变换器在实际应用中存在一些问题,其中一个主要问题是当电路启动、负载过重或短路时,如何有效抑制原边谐振电
流过冲。图1为一种有主动限流功能的改进型半桥LLC变换器拓扑结构图。两个主开关Q1和Q2共同构成半桥结构,以50%的占
空比互补导通(包含死区时间)。相对于传统的半桥型LLC变换器,改进型仍然由谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm构
成谐振网络,只是将谐振电容Cr分成了Cr1、Cr2两部分且并接上钳位二极管。这样设计会带来两方面的好处:(1)拆分的谐
振电容会减小输入电流纹波,使谐振电流波形接近正弦,减小EMI噪声;(2)并联的二极管在过载时会主动钳位,限制谐振
电容两端的电压,从而谐振电流也被钳位,防止电路损坏。
应用基波分析法(FHA)对半桥型LLC变换器进行稳态分析,得到其直流电压增益特性曲线图(如图2所示),可将其工
作状况分为3个区域:Ⅰ区LLC电路工作在感性状态,原边开关管能够实现ZVS,而副边整流二极管电流连续,不能自然过零,
硬关断;Ⅱ区LLC电路工作在感性状态,原边开关管能实现ZVS,且副边整流二极管电流断续,可自然过零,能够实现ZCS,
是LLC电路最理想的工作区域;Ⅲ区谐振电路工作在容性状态,电流超前电压的变化,可实现ZCS,是LLC电路不宜工作的区
域。由图2可知在Ⅰ区和Ⅱ区,变换器的直流电压增益为单调递减函数,只要调整LLC变换器的开关频率,即可改变直流输出电
压的大小,所以通过引入反馈,控制开关频率,可达到稳定输出的目的。
2 基于基于Saber时域仿真的小信号模型分析时域仿真的小信号模型分析
由以上分析可知,LLC变换器是一种变频调制变换器,要想对LLC变换器进行闭环补偿电路设计,必须获得原边开关频率
fs到输出端电压Vo的小信号传递函数,即 。然而,到目前为止,现有文献还未给出该传递函数的准确模型,这也直
接导致了LLC反馈控制回路设计的困难。
鉴于此,采用Saber软件中的TDSA模块(频率响应分析仪)对改进的LLC变换器开环电路进行小信号时域仿真分析,可
直接获得传递函数P(s)的波特图。TDSA模块(如图3中右下角仪器)的output端子向待测电路中注入频率可调的正弦信
号,input端子接入待测电路的输出端作为反馈信号,通过比较两端子的信号可以获得两者的增益和相位关系,即波特图。同