基于eHS的高频LLC变换器实时仿真案例

随着现代电力电子技术的发展，开关电源越来越趋于高频化、集成化、模块化。提高换流器开关频率能有效减小无源器件的体积，提高功率密度，并获得更加平滑变化的波形。较小的电压/电流变化率还能改善系统的电磁兼容性，有效降低开关噪声。

谐振变换器以谐振电路为基本的变换单元，利用谐振时电流或电压周期性的过零，从而使开关器件在零电压或零电流条件下开通或关断，即实现软开关效应，以达到降低开关损耗来提高效率的目的。谐振变换器与硬开关 PWM 变换器相比，具有开关频率高、效率高、关断损耗小、体积小、EMI 噪声小、开关应力小等诸多优点。

谐振拓扑的种类很多，其中 LLC 谐振变换器具有原边开关管易实现全负载范围内的 ZVS，次级二极管易实现 ZCS，以及输入电压范围宽等优点，得到了当前业内广泛的关注。

本文将通过典型全桥LLC拓扑的分析及仿真来介绍基于 eHS的高频LLC变换器（78kHz~196kHz）实时仿真案例 。

01 LLC谐振变换器简介

LLC谐振变换器是一种改进型的LC串联谐振变换器，通过在变压器初级绕组放置一个并联电感而得以实现（如图1所示）。采用并联电感可以增加初级绕组的环流，有利于电路运行。由于这个概念不直观，在该拓扑首次提出时没有受到足够的重视。然而在开关损耗相比通态损耗占主导比重的高输入电压应用中，却明显有利于效率的提高。在大多数实际设计中，该并联电感采用变压器的励磁电感。

▲ 图1 全桥LLC谐振变换器

一般情况下，LLC谐振变换器拓扑主要包括如图1所示的3级电路：高频开关换流桥，谐振网络（LLC谐振舱与变压器），整流网络。

0****1

高频开关换流桥负责转换直流电压为高频方波电压Vsw。该电压往往通过占空比为50%的PWM交替驱动开关组S1,S4 和S2,S3 来实现。 在实际工程中，PWM会引入一个较小的死区时间。

0****2

谐振网络滤除高次谐波电流。 在本质上，即使方波电压施加到谐振网络上，也只有正弦电流容许流过该谐振网络。 通过合理的设计参数，可使谐振电流滞后于施加到谐振网络上的电压(即被施加到半桥图腾柱上的方波电压Vsw的基波分量)，容许开关零电压开通 。

03

整流器网络产生直流电压，采用整流器二极管和电容对交流电进行整流。 整流器网络可以设计成带有容性输出滤波器的全波整流桥或对应的中心抽头配置。

谐振网络的滤波作用可以采用基波近似原理（Fundamental harmonic approximation），获得谐振转换器的电压增益，这需要假定方波电压的基波分量输入到谐振网络，并传输电能至输出端。 由于次级端整流电路可作为阻抗变压器，所以其等效负载电阻与实际负载电阻并不相同。

谐振变换器增益=开关换流桥增益 * 谐振舱增益*变压器变比（Ns/Np）

当开关换流桥为全桥拓扑时增益为1，半桥拓扑时增益为0.5。

谐振舱增益可以由下图FHA等效电路求出：

▲ 图2 等效谐振电路

其中 （公式点击可放大） ：

，品质因数；

，初级等效负载电阻；

，归一化频率；

，串联谐振频率；

，串并联谐振频率；

，谐振电感因数。

通过对谐振舱增益K，归一化频率Fx在不同品质因数Q和谐振电感因数m下描点可得LLC谐振变换器的典型增益曲线图。图3为m=6时的一组LLC谐振变换器典型增益曲线图。

▲ 图3 LLC谐振变换器的典型增益曲线（m=6）

如上图所示，低品质因素曲线为轻载运行曲线，高品质因数曲线为高载运行曲线，且所有曲线均由一个单位增益并通过串联谐振频率基点（Fx=1）。要实现开关的零电压开通，需要使谐振网络的输入电流滞后于输入电压的基波，即要求LLC谐振变换器工作在上图的感性区。

02 LLC谐振变换器的工作模式

由于LLC谐振变换器基于频率调试的特性，根据不同的输入电压和负载等级，可有如下几种工作模式：

1. 开关频率等于串联谐振频率，fs=fr。
2. 开关频率大于串联谐振频率，fs>fr。
3. 开关频率小于串联谐振频率且大于串并联谐振频率，fr>fs>fm。

▲ 图4 LLC谐振变换器的3种典型工作模式

上述三种工作模式会包含下述一种或全部工况：

A

功率传递工况

此工况会在开关周期中发生2次。第一次为当谐振舱为正电压激励时，谐振电流在第一个半开关周期为正方向（图5）。第二次为当谐振舱为负电压激励时，谐振电流在第二个半开关周期为负方向（图6）。

▲ 图5

▲ 图6

在功率传递工况下，当励磁电感电压等效为正/负电压时，励磁电流为相应的充/放电状态。故谐振电流与励磁电流的变化通过变压器与整流网络传递到负载上。

B

惯性工况

此工况通常在功率传递工况后且当谐振电流等于励磁电流时，故仅在fm

▲ 图7

▲ 图8

fs=fr

每半个开关周期包含完整的功率传递工况，即半开关周期运行了完整的半谐振周期。且在半开关周期的结尾ILr=ILm, 整流电流为0。

**fs>fr **

每半个开关周期包含部分功率传递工况。

**fr>fs>fm **

每半个开关周期包含一个功率传递工况。当谐振半周期结束时，ILr=ILm，进入惯性工况直到半周期结束。

表1 LLC谐振变换器的3种工作模式

<左右滑动 查看更多>

03 LLC谐振变换器的实时仿真实现

基于LLC谐振变换器的高频工作特性，如何将LLC谐振变换器精准的实时离线化建模仿真，已成为业内重点关注的难题之一。OPAL-RT结合25年实时仿真技术研发背景和电力电子领域的强大实践经验，通过使用eHS（当前业内最强大的，最简便易用的基于FPGA的电力电子硬件解算器）提供了高精确的LLC谐振变换器实时仿真方案。该方案兼备高精确、高性能与低延迟等优点，可为电力电子工程师提供成熟可靠的基于FPGA的LLC谐振变换器仿真平台。

以下图基于Simulink的SimPowerSystem的LLC谐振变换器离线模型为例：

▲ 图9 LLC谐振变换器SPS离线模型

通过OPAL-RT新一代电路编辑器Schematic Editor搭建等效的LLC谐振变换器模型：

▲ 图10 LLC谐振变换器的SE等效模型

开关换流桥的高频门信号通过RT-LAB PWMO模块送出，经由DB37 loopback线送入到eHS的DIN数字输入端口来驱动对应的开关管。将eHS LLC谐振变换器的输出通过RT-LAB FPGA scope（最大采样率为eHS的FPGA模型仿真步长）抓取与Simulink SPS离线模型进行对比。

01

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

▲ 图11 实时仿真与SPS离线对比（fs=fr=95.1kHz）

02

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

▲ 图12 实时仿真与SPS离线对比（fs=196kHz>fr=95.1kHz）

03

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

▲ 图13 实时仿真与SPS离线对比（fr>fs=78kHz>fm）

由上图仿真结果可以看出，eHS对LLC谐振变换器的仿真结果在三种不同的运作模式下均与Simulink SPS离线有效实现了软开关效应ZVS，且两者结果高度匹配。通过与Simulink SPS离线仿真结果的对比，证明了eHS在处理高频LLC谐振变换器的实时仿真结果是准确且高效的。

该仿真方案及其更高的开关频率应用已在国内外多个新能源汽车和储能研发公司成功实施和交付。