LC串联谐振拓扑仿真建模
LC串联谐振拓扑仿真建模
LC串联谐振变换器是直流高压电源中最为常用的拓扑结构。本文将详细介绍LC串联谐振变换器的仿真建模及控制策略分析，包括电路设计、电路仿真、开环调试和闭环调试等环节。
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。本文将对LC串联谐振变换器的仿真建模及控制策略进行详细分析。
一、电路设计
1.1 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：
1.2 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
1.3 器件参数设计
1.3.1 变压器变比N设计
$$
N_{max} = \frac{V_{omax}}{V_{inmin}}
$$
$$
N_{min} = \frac{V_{omin}}{V_{inmax}}
$$
这里变压器变比选取 N=10
1.3.2 谐振频率设计
电路工作在DCM模式下 $0<f_{s}<0.5f_{r}$，$f_{r} = 2f_{smax} = 20kHz$
1.3.3 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
2.1 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。
2.1.1 启动Simulink
打开Matlab软件，启动Simulink；
2.1.2 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；
2.1.3 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
2.1.4 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：
2.2 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。
2.3 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。