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

1、基于Saber仿真的改進(jìn)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(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海201620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)行補償電路設(shè)計的方法,并設(shè)計了一款1200W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;補償電路;閉環(huán)控制;時域仿真中圖分類號:TM464文獻(xiàn)標(biāo)識

2、碼:A文章編號:1674-7720(201520-0028-03引用格式:張華北,王直杰.基于Saber仿真的改進(jìn)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.Design of closed loop circuit for improved halfbridge LLC converter based on SaberZhang Huabei,Wang Zhijie(School of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai201620,ChinaAbstrac

3、t: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 gett

4、ing 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 a1200W half bridge LLC converter is built.The simulation and experimental results verify

5、 the correctness and feasibility of the design methods,which give certain guide for practical engineering applications.Key words:LLC converter;compensation circuits;closed loop control;time domain simulation0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

6、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(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400V輸入、48V輸出的半橋型LLC變換器進(jìn)行驗證。1改進(jìn)的

7、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L r、諧振電容C r、勵磁電感L m構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò),只是將諧振電容C r 分成了C r1、C r2兩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

8、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: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;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;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可知在區(qū)和區(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

9、 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)補償電路設(shè)計,必須獲得原邊開關(guān)頻率f s 到輸出端電壓V o 的小信號傳遞函數(shù),即P (s =f s V o。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

10、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400V 輸入、48V 輸出、開關(guān)頻率100kHz 、工作于區(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f s 與輸出端電壓V o 的變化方向相反,相頻曲線起始點位于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

11、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(4575。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(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-10dB/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,

12、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)的零極點分布,并指出在區(qū)域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,一雙重極點和一個與電容ESR 有關(guān)的零點。當(dāng)開關(guān)頻率靠近諧振頻率時,一個移向高頻處,一個向低頻極點靠近。由于負(fù)載變動圖1改進(jìn)的LLC 變換器主電路Q 1Q 2C r1C r2D c1D c2L rL m n pn s n sC oRD 1D 2T V DC圖2LLC 變換器直流電壓增益特性(L m /L r =50.1110歸一化頻率f n3210直流增益MIIIIIIQ =0.1Q =0.2Q

13、=0.3Q =0.4Q =0.5Q =0.75Q =1Q =2Q =3 圖4開環(huán)LLC 半橋變換器時域仿真波特圖0.1 1.010100頻率/kHz增益/d B V 角度/d e g-20-40-60-802000-200-400圖3改進(jìn)的半橋LLC 變換器小信號仿真模型+140pF 110nF10Hp1m1n1:2.558HDC/DCp2m2m3p3n2:1n3:1 1.924000Fainpinm+V +Vavsum LOGIC_4CLOCKON/OFFInput (Measure Output(Soutce +-aGain Phase400140pF 110nF時,閉環(huán)控制的LLC 變換

14、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?發(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(yīng)的傳遞函數(shù)如式(1所示,通過對轉(zhuǎn)折點1R 2C 2、1R 1C 1及1/R 2C 1C2C 1+C 2頻率的設(shè)定,可方便靈活地實現(xiàn)各頻率段的補償,通過改變20logR 2R 1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(shè)計。補償后的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖如

15、圖6所示。K (s =-V o (s V in (s =(1+R 2C 2s (1+R 1C 1s R 1(C 2+C 3s *(1+R 2C 2C 3C 2+C 3s (1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。H 2p2z (z =b 0+b 1z -1+b 2z -21+a 1z -1+a 2z -2(2u (k =b 0e (k +b 1e (k -1+b 2e (k -2-a 1u (k -1-a 2u (k -2(33仿真實驗驗證基于Saber 軟件時域仿真,

16、在此設(shè)計一款額定工作頻率100kHz ,額定輸入400V ,額定輸出1200kW (48V/25A 的閉環(huán)半橋LLC 變換器進(jìn)行實驗驗證。電路參數(shù):L r =10H ,L m =58H ,C r1=110nF ,C r2=110nF ,濾波電容C o =4000F ,變壓器匝比2.51。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(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)

17、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)1YANG B ,LEE F C ,ZHANG A J ,et al.LLC resonantconverter for front end DC/DC conversion C.Seventeerth Annual IEEE ,Applied Power Electronics Conference and Expositi

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19、(a 及其波特圖(b (a 補償電路 V o 圖6閉環(huán)LLC 半橋變換器時域仿真波特圖0.1 1.010100頻率/kHz 增益/d B V角度/d e g -20-40-60-80200-200-400圖9閉環(huán)電路在滿載及半載時諧振電流波形01020304050606040200電壓/V時間/ms圖7開環(huán)電路輸出電壓波形010*50403020100電壓/V時間/ms圖8閉環(huán)電路在滿載及半載時輸出電壓波形010203040507550250-25-50-70電流/A時間/ms(下轉(zhuǎn)第35頁conversion for distributed power systemD.Virginia Po

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25、Electronics Conference and Exposition ,2003:605-609.(收稿日期:2015-06-29作者簡介: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 。王直杰(1969-,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模與仿真,智能計算與智能系統(tǒng)。(上接第30頁4結(jié)論本文利用FPGA 模擬SCCB 總線的時序?qū)mniVi -sion 圖像傳感器的寄存器進(jìn)行配置,使其可以按照特定的要求進(jìn)行圖像輸出。該設(shè)計對OV 系列的傳感器具有通用性,對圖像采集前端的設(shè)計具有重要意義。參考文獻(xiàn)1方彩婷,葉盛,汪雪峰,等.基于FPGA 的數(shù)字高清CMOS遙感成像技術(shù)J.電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(4:43-45.2苑瑋琦,湯永華.OmniVision 圖像傳感器的SCCB 總線協(xié)議在DSP 中的實現(xiàn)J.儀器儀表學(xué)報,2006(z2:1687-1688.3OmniVision Serial Camera Control Bus (SCCB FunctionalSpecification ,Document Version ;2.1Z.4張歡,汪紅,王芳芳.基于FPGA 的實時圖像處理實驗