杨帅锅
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两相交错LLC变换器的仿真(Simulation of an Two Phase Interleaved LLC Converter)

前言:我从后台看到一些朋友的留言有问我一些PSPICE和模拟控制方面的问题,所以后面我将陆续更新一些PSPICE环境的模拟仿真文章。

仿真环境:Orcad  16.6  PSPICE A/D。

单相LLC的输出纹波电流很大,在低压大电流的应用中,对输出侧的电容要求很高。在上百安培级别的应用中,输出侧要加多颗固态电容才勉强满足寿命要求。对追求高功率密度的电源模块,电容的体积会是一个大问题。因此在保证LLC高效率的优点同时,是否存在降低输出侧电流纹波的解决办法?下图是多个正弦波电流叠加时对输出总电流纹波减弱效果的示意图(参考论文1),当以错相90/180/270deg叠加正弦波,能有效降低输出电容纹波电流应力。

假定LLC变换器工作在谐振频率上,多相交错的对比数据可见下表。从降低电容纹波电流的角度来看,2相交错可以将电容纹波电流对比单相降低到32.8%,三相交错能降低到14.1%。当然多相交错对纹波电流降低的效果更为明显,控制也更复杂,一般情况下两相和三相交错比较常用。

下面我将在仿真环境(Orcad 16.6 / PSPICE A/D)中实现变频和固定滞后90°的控制。调频错相PWM的实现方法是:取主控制信号HI_IN去控制一个开关S3,开通时让固定电流源I4对一个电容C2充电。关闭时也让同样的电流源I5对电容C2放电,那么将在这个定时电容C2上产生一个正负对称的三角波。然后用比较器E10取三角波的正电压部分,这样就得到了固定的90°滞后的PWM波形。这个办法简单粗暴,缺点是需要输入信号占空比为50%才具有可行性。其原理可见下图:

调频错相PWM电路的仿真波形:

下侧绿色为C2电压波形,红色为取电容的正电压,即为所需的滞后90°的PWM波。

既然得到了两相交错的驱动PWM波形,就可以应用到功率电路上了,控制部分采用电流模式,具体细节可参见之前发的电流模式LLC的控制模型一文稍后更新电流模式LLC的建模文章,原始PWM发生器可以用电压模式的VCO代替)。主功率参数是12V // 100A,匝比是16/1,具体参数都在仿真原理图上请看下图:

闭环仿真波形:A B两相半桥输入电压和两相谐振电流

A B两相输出侧电流,输出电容纹波,输出电压:

启机到稳态,采用电流模式控制的启机波形:

稳态展开波形:

应用方向:低压电流的LLC应用,比如服务器,比特币挖矿机,车载DCDC。

实际中可以用DSP来做(模拟实现较复杂),配置两个EPWM模块使用UP计数模式,设置两个PWM模块时基同步。主路从0~TBPRD*0.5为高,使用有源互补输出,插入RED和FED死区时间。另外一路从0.25*TBPRD ~ 0.75*TBPRD为高,使用有源互补输出,插入RED和FED死区时间,就能输出两个调频移相的PWM信号,代码很容易实现。两路共用一个主控制环(电压or电流),同时还要分别采两相的输出电流。两相均流的控制可以使用一路为主控制,另外一路在主路的开关频率上,进行窄范围的占空比调整,等效为调整从路的开关频率,从而实现两路均流。 

参考文档:

1、 Multi-phase Interleaved LLC-SRC and Its Digital Control Scheme Jae-EulYeon*, Won-Seok Kang**, Kyu-Min Cho***, Tae-Young Ahn**** and Hee-JunKim*****

2、  A HalfBridge LC Resonant Converter with Reduced Current Ripple of the Output Capacitor Byeong Cheol Hyeon, Ji Tae Kim, Bo Hyung ChoDept. of Electrical Eng., Seoul National University, Korea3、  ANALYSISOF MULTI-PHASE LLC RESONANT CONVERT%ERS E. Orietti*, P.Mattavelli**, G. Spiazzi*,C. Adragna***, G. Gattavari***

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