拓扑篇丨LLC谐振变换器仿真建模与控制策略分析

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 v~ in~ ： 150V(130V~170V)

❏输出额定电压 v~o ~ ： 200V(180V~220V)

❏输出额定功率 P **：**900W

❏谐振频率 f ~ r~ ： 100kHz

03 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（f ~ m~ <f ~ s~ <f~ r~），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L~ r ~ 的比值，即K=L ~ m~ /L~ r~；f~ n ~ 为电路开关频率f~ s~关于二元谐振频率的归一化表示，f ~n=~ f ~s~ /f~r~~。~

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f~ i~（也就是电路工作的最小开关频率f~ smin~），由于通常f ~ i~ >f~ m~，因此电路工作一般工作在f ~ i~ ~f ~r ~之间。

▍参数计算

☑ 计算变压器变比n。

确定输入电压范围Vi~ min ~ 、Vi~ max~，额定输入电压Vi~ nom ~ ，输出电压范围Vo~ min~、Vo~ max~，额定输出电压Vo~ nom~，额定输出功率Po~ nom。~

☑ 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C~r。~

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“Elec trical Sources”，选择“DC Voltagte 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，敬请期待！

感谢您的关注，我们下期再见。

来源：森木磊石