基于eHS的高頻LLC變換器實時仿真案例

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源越來越趨于高頻化、集成化、模塊化。提高換流器開關(guān)頻率能有效減小無源器件的體積，提高功率密度，并獲得更加平滑變化的波形。較小的電壓/電流變化率還能改善系統(tǒng)的電磁兼容性，有效降低開關(guān)噪聲。

諧振變換器以諧振電路為基本的變換單元，利用諧振時電流或電壓周期性的過零，從而使開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下開通或關(guān)斷，即實現(xiàn)軟開關(guān)效應(yīng)，以達(dá)到降低開關(guān)損耗來提高效率的目的。諧振變換器與硬開關(guān) PWM 變換器相比，具有開關(guān)頻率高、效率高、關(guān)斷損耗小、體積小、EMI 噪聲小、開關(guān)應(yīng)力小等諸多優(yōu)點。

諧振拓?fù)涞姆N類很多，其中 LLC 諧振變換器具有原邊開關(guān)管易實現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的 ZVS，次級二極管易實現(xiàn) ZCS，以及輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，得到了當(dāng)前業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。

本文將通過典型全橋LLC拓?fù)涞姆治黾?a target="_blank">仿真來介紹基于 eHS的高頻LLC變換器（78kHz~196kHz）實時仿真案例 。

01 LLC諧振變換器簡介

LLC諧振變換器是一種改進(jìn)型的LC串聯(lián)諧振變換器，通過在變壓器初級繞組放置一個并聯(lián)電感而得以實現(xiàn)（如圖1所示）。采用并聯(lián)電感可以增加初級繞組的環(huán)流，有利于電路運(yùn)行。由于這個概念不直觀，在該拓?fù)涫状翁岢鰰r沒有受到足夠的重視。然而在開關(guān)損耗相比通態(tài)損耗占主導(dǎo)比重的高輸入電壓應(yīng)用中，卻明顯有利于效率的提高。在大多數(shù)實際設(shè)計中，該并聯(lián)電感采用變壓器的勵磁電感。

▲ 圖1 全橋LLC諧振變換器

一般情況下，LLC諧振變換器拓?fù)渲饕ㄈ鐖D1所示的3級電路：高頻開關(guān)換流橋，諧振網(wǎng)絡(luò)（LLC諧振艙與變壓器），整流網(wǎng)絡(luò)。

0****1

高頻開關(guān)換流橋負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換直流電壓為高頻方波電壓Vsw。該電壓往往通過占空比為50%的PWM交替驅(qū)動開關(guān)組S1,S4 和S2,S3 來實現(xiàn)。 在實際工程中，PWM會引入一個較小的死區(qū)時間。

0****2

諧振網(wǎng)絡(luò)濾除高次諧波電流。 在本質(zhì)上，即使方波電壓施加到諧振網(wǎng)絡(luò)上，也只有正弦電流容許流過該諧振網(wǎng)絡(luò)。 通過合理的設(shè)計參數(shù)，可使諧振電流滯后于施加到諧振網(wǎng)絡(luò)上的電壓(即被施加到半橋圖騰柱上的方波電壓Vsw的基波分量)，容許開關(guān)零電壓開通 。

03

整流器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生直流電壓，采用整流器二極管和電容對交流電進(jìn)行整流。 整流器網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計成帶有容性輸出濾波器的全波整流橋或?qū)?yīng)的中心抽頭配置。

諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波作用可以采用基波近似原理（Fundamental harmonic approximation），獲得諧振轉(zhuǎn)換器的電壓增益，這需要假定方波電壓的基波分量輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)，并傳輸電能至輸出端。 由于次級端整流電路可作為阻抗變壓器，所以其等效負(fù)載電阻與實際負(fù)載電阻并不相同。

諧振變換器增益=開關(guān)換流橋增益 * 諧振艙增益*變壓器變比（Ns/Np）

當(dāng)開關(guān)換流橋為全橋拓?fù)鋾r增益為1，半橋拓?fù)鋾r增益為0.5。

諧振艙增益可以由下圖FHA等效電路求出：

▲ 圖2 等效諧振電路

其中 （公式點擊可放大） ：

，品質(zhì)因數(shù)；

，初級等效負(fù)載電阻；

，歸一化頻率；

，串聯(lián)諧振頻率；

，串并聯(lián)諧振頻率；

，諧振電感因數(shù)。

通過對諧振艙增益K，歸一化頻率Fx在不同品質(zhì)因數(shù)Q和諧振電感因數(shù)m下描點可得LLC諧振變換器的典型增益曲線圖。圖3為m=6時的一組LLC諧振變換器典型增益曲線圖。

▲ 圖3 LLC諧振變換器的典型增益曲線（m=6）

如上圖所示，低品質(zhì)因素曲線為輕載運(yùn)行曲線，高品質(zhì)因數(shù)曲線為高載運(yùn)行曲線，且所有曲線均由一個單位增益并通過串聯(lián)諧振頻率基點（Fx=1）。要實現(xiàn)開關(guān)的零電壓開通，需要使諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入電流滯后于輸入電壓的基波，即要求LLC諧振變換器工作在上圖的感性區(qū)。

02 LLC諧振變換器的工作模式

由于LLC諧振變換器基于頻率調(diào)試的特性，根據(jù)不同的輸入電壓和負(fù)載等級，可有如下幾種工作模式：

1. 開關(guān)頻率等于串聯(lián)諧振頻率，fs=fr。
2. 開關(guān)頻率大于串聯(lián)諧振頻率，fs>fr。
3. 開關(guān)頻率小于串聯(lián)諧振頻率且大于串并聯(lián)諧振頻率，fr>fs>fm。

▲ 圖4 LLC諧振變換器的3種典型工作模式

上述三種工作模式會包含下述一種或全部工況：

A

功率傳遞工況

此工況會在開關(guān)周期中發(fā)生2次。第一次為當(dāng)諧振艙為正電壓激勵時，諧振電流在第一個半開關(guān)周期為正方向（圖5）。第二次為當(dāng)諧振艙為負(fù)電壓激勵時，諧振電流在第二個半開關(guān)周期為負(fù)方向（圖6）。

▲ 圖5

▲ 圖6

在功率傳遞工況下，當(dāng)勵磁電感電壓等效為正/負(fù)電壓時，勵磁電流為相應(yīng)的充/放電狀態(tài)。故諧振電流與勵磁電流的變化通過變壓器與整流網(wǎng)絡(luò)傳遞到負(fù)載上。

B

慣性工況

此工況通常在功率傳遞工況后且當(dāng)諧振電流等于勵磁電流時，故僅在fm

▲ 圖7

▲ 圖8

fs=fr

每半個開關(guān)周期包含完整的功率傳遞工況，即半開關(guān)周期運(yùn)行了完整的半諧振周期。且在半開關(guān)周期的結(jié)尾ILr=ILm, 整流電流為0。

**fs>fr **

每半個開關(guān)周期包含部分功率傳遞工況。

**fr>fs>fm **

每半個開關(guān)周期包含一個功率傳遞工況。當(dāng)諧振半周期結(jié)束時，ILr=ILm，進(jìn)入慣性工況直到半周期結(jié)束。

表1 LLC諧振變換器的3種工作模式

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03 LLC諧振變換器的實時仿真實現(xiàn)

基于LLC諧振變換器的高頻工作特性，如何將LLC諧振變換器精準(zhǔn)的實時離線化建模仿真，已成為業(yè)內(nèi)重點關(guān)注的難題之一。OPAL-RT結(jié)合25年實時仿真技術(shù)研發(fā)背景和電力電子領(lǐng)域的強(qiáng)大實踐經(jīng)驗，通過使用eHS（當(dāng)前業(yè)內(nèi)最強(qiáng)大的，最簡便易用的基于FPGA的電力電子硬件解算器）提供了高精確的LLC諧振變換器實時仿真方案。該方案兼?zhèn)涓呔_、高性能與低延遲等優(yōu)點，可為電力電子工程師提供成熟可靠的基于FPGA的LLC諧振變換器仿真平臺。

以下圖基于Simulink的SimPowerSystem的LLC諧振變換器離線模型為例：

▲ 圖9 LLC諧振變換器SPS離線模型

通過OPAL-RT新一代電路編輯器Schematic Editor搭建等效的LLC諧振變換器模型：

▲ 圖10 LLC諧振變換器的SE等效模型

開關(guān)換流橋的高頻門信號通過RT-LAB PWMO模塊送出，經(jīng)由DB37 loopback線送入到eHS的DIN數(shù)字輸入端口來驅(qū)動對應(yīng)的開關(guān)管。將eHS LLC諧振變換器的輸出通過RT-LAB FPGA scope（最大采樣率為eHS的FPGA模型仿真步長）抓取與Simulink SPS離線模型進(jìn)行對比。

01

**fs=fr (fr=95.1kHz)**

▲ 圖11 實時仿真與SPS離線對比（fs=fr=95.1kHz）

02

**fs>fr (fs=196kHz, fr=95.1kHz)**

▲ 圖12 實時仿真與SPS離線對比（fs=196kHz>fr=95.1kHz）

03

**fr>fs>fm (fs=78kHz, fr=95.1kHz)**

▲ 圖13 實時仿真與SPS離線對比（fr>fs=78kHz>fm）

由上圖仿真結(jié)果可以看出，eHS對LLC諧振變換器的仿真結(jié)果在三種不同的運(yùn)作模式下均與Simulink SPS離線有效實現(xiàn)了軟開關(guān)效應(yīng)ZVS，且兩者結(jié)果高度匹配。通過與Simulink SPS離線仿真結(jié)果的對比，證明了eHS在處理高頻LLC諧振變換器的實時仿真結(jié)果是準(zhǔn)確且高效的。

該仿真方案及其更高的開關(guān)頻率應(yīng)用已在國內(nèi)外多個新能源汽車和儲能研發(fā)公司成功實施和交付。