LC串联谐振拓扑仿真建模及控制策略分析

LC串联谐振拓扑仿真建模及控制策略分析

引用

51CTO

1.

https://blog.51cto.com/u_15641375/10341804

直流高压电源主要应用于高端精密分析仪器、高端医疗分析仪器、静电应用、激光雷达、核探测、惯性导航、雷达通信、电子对抗、高功率脉冲、等离子体推进等行业领域。

LC串联谐振拓扑是直流高压电源中最为常用的拓扑结构。根据开关频率f_s与谐振频率f_r的关系，变换器有三种工作模式，而实际应用时一般工作在DCM模式（0<f_s<0.5f_r）。这里我们将对电路参数进行设计，并使用Simulink软件搭建LC串联谐振变换器模型，对电路DCM模式进行仿真。

一、电路设计

1. 电路拓扑设计

LC串联谐振拓扑包括：原边LC全桥串联谐振电路、变压器和副边整流电路。副边电路常用的有全桥整流电路以及倍压整流电路，这里以副边整流采用全桥整流电路为例，电路拓扑结构如图所示：

2. 电源技术指标设计

• 输入电压v_in：100V(95~105)
• 充电电压v_o：1000V
• 充电时间t：1s
• 负载电容c_d：500μF
• 最大工作频率f_smax：10kHz

3. 器件参数设计

变压器变比N设计

V_omax
N_max = ——————
V_inmin

V_omin
N_min = ——————
V_inmax

这里变压器变比选取N=10

谐振频率设计

电路工作在DCM模式下0<f_s<0.5f_r，f_r = 2f_smax = 20kHz

谐振电感与谐振电容设计

根据上式可以解得L_r =1.1mH，C_r =6.9μF。

二、电路仿真

1. 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LC串联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“Electrical Sources”，选择“DC Voltage 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“100”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LC串联谐振变换器模型如图：

2. 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PWM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：

此处PWM控制方式为调频控制，通过改变开关频率达到调节输出电压的目的。首先设置PWM开关频率为1kHz，占空比为40%，可以看到输出电压幅值在1200V左右；然后设置开关频率为5kHz，可以观察到输出电压为350V左右。

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。

3. 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1000V，可以看到输出电压最终稳定在1000V，符合变换器设计要求。

到这里，LC串联谐振变换器的电路设计与仿真已经完成了，电源的输出基本符合预期。