前言:在前天的推送文章中我提到了双软开关的原理和实现方法,并提供了测试波形。但是有些朋友问我到底是如何控制,动态会不会炸鸡,容不容易控制,波形是不是开环演示一下,闭环怕是要崩。这些问题都提的很好,我将在此篇文章中给予回复。
本人能力有限,如有错误,恳请帮忙指正,感激不尽,谢谢。
第一部分 ZVS ZCS谐振全桥的仿真建模过程
本次实验平台是普通的CLLC结构,之前使用了PFM控制时需要到LLC区域,故把变压器的励磁电感设置的很小。设输出7500W,输出400V/18.75A。
主拓扑可见:
闭环控制部分:
先来看看闭环的模块和代码,采样部分:经过了zoh和增益衰减。C代码模块:两个2P2Z的控制器函数和选择哪个环小就输出哪个的比较逻辑,其代码极其简单。
需要重点要讲一下的是副边开关管的控制逻辑及其实现,由于前面电压电流环的逻辑是哪个小选择输出哪个,正好对应LLC的PFM调整方向,开关频率越低输出功率越高。但是我们要把这个方向放在PWM上就有了点问题,控制器输出值越低,用三角波调制的脉宽是输出宽度越小,正好和LLC的PFM的控制方向是相反的。所以就需要减法操作来将闭环控制器的输出反向,这样才能拿去跟三角波进行切割从而产生脉宽。
但是还有一个问题,PFM是频率在变化的,周期的起点和终点也是在调整的,所以需要找到一个办法来实现副边PWM和原边PWM的同步。当然,大神们一定有很多种操作来实现这个时序。这里我只提供我的实现方法,我利用可复位的积分器来实现PWM的时序同步,用一个恒定的值输入到积分器,积分器的输出是线性上升的,然后在使用相对应的PWM信号来为其复位,就能实现了PWM的时序同步。可见下图,是为积分器的输出三角波和同步输入的PFM信号:
上文中我们已经得到用于副边驱动的同步三角波,只需产生一个控制波形就可以进行切割产生PWM了。这一块是很容易实现的,所以我就不过多累述了,可见下图是副边开关的PWM信号。上图中的绿色是三角波,红色是副边占空比控制值,下图是占空比输出。
到此,我们就构建完毕了闭环控制模型。至于控制策略就是通过限制最低频率,如果在PFM范围内不能达到最高增益,就开启副边开关提升增益,可见下图所示。
启动过程:
先定在最高频率增加占空比到50%,然后从最高频率开始下降,直到输出达到控制值被闭环接管,可见视频:
第二部分 ZVS ZCS谐振全桥控制稳定性分析
由于我使用控制策略是需要最高增益时固定开关频率只调整副边开关的占空比,而并非同时调整开关频率和副边占空比,这样就能把系统简化成一个控制变量。对是的,我的理论难以支撑多控制变量的系统稳定性分析。所以我可以很容易在副边占空比上叠加一个扰动信号,同时观察输出信号中扰动信号的幅值和相位,即可得到从控制到输出的频率响应,也就是我们所需要的控制-输出的传递函数。这一步操作可以在Plecs仿真环境或直接用环路分析仪器测试得到。下文将从传递函数的角度上来分析与调频工作的LLC有多大区别,下文将就这些具体展开分析。
我们先固定输出条件,然后对LLC和调副边占空比模式在同样输出工况时的环路对比。先放出PFM时的波形。
输入条件:358V,匝比:20/22。
Lr = 30uH / Cr = 176NF / Lmag = 330uH
Lr-sec = 35uH / Cr-sec = 330nF
输出:400V/19A,开关频率:61KHz
从开关频率扰动到输出电压的Bode图:
调副边占空比模式:
此时输入305V就能输出400V/19A,固定开关频率:61KHz。副边短路时间1.61us,占半个周期的19.53%。调节副边的控制办法对比LLC模式能提升增益358/305= 117%。通过在副边开关管的占空比上叠加扰动,扫描环路得出结果:
通过对比可知:LLC模式中在1KHZ的增益尖峰消失了,而且整体在增益下降了10db,相位也改为从0deg开始。如果使用LLC的控制参数,在切换到调整副边占空比模式时,是否会导致环路不稳定呢?在下文中我将扫描得到两个传递函数全部导入到Matlab,然后只使用LLC控制模式的闭环参数来看看能否让两个功率级模都处于稳定。如果能稳定,那么闭环控制器的参数只需要用一组。如果一组参数不能同时保证两个功率级控制模式稳定,就需要使用多组参数控制。可以在软件中通过状态机来进行不间断的调整,但是想一想都是比较可怕的事情。下面先将扫描的数据导入到matlab然后使用系统识别工具分析波形得到传递函数,具体实现办法可见我早前发过的文章(利用matlab的system identification获取系统的传递函数加速你的环路设计)。下图是两者的功率级传递函数:
蓝色是:普通LLC模式。
红色:副边调整占空比模式。
使用能满足LLC闭环稳定性的闭环参数扫描环路后发现同样也能满足调副边占空比模式的稳定性,但是系统带宽降低了许多倍,可能会造成纹波恶化的问题,但是稳定性还是能保证的。如果要细化系统工作区域,可以针对性的设计再调整副边占空比的环路参数,可见开环扫bode图。
红色:LLC模式,闭环带宽Fc = 380Hz / PM = 85.6deg
蓝色:调占空比模式,闭环带宽Fc = 30.3Hz /PM = 90.1deg。
本文总结:
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完整的介绍了闭环仿真模型的建立过程。
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介绍了闭环控制策略。
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分析了两种工作模式的环路模型,并且可以看到在副边占空比开度为15%的调整范围内,系统非常容易稳定。这是得益于调整副边占空比模式的功率级模型有较大的增益衰减,使得系统更易于稳定了。