數(shù)字控制式LLC諧振變換器建模分析與驗(yàn)證

摘要：針對半橋LLC諧振變換器的建模及其驗(yàn)證展開分析，同時分析了數(shù)字控制對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響，并給出采用數(shù)字控制時系統(tǒng)穩(wěn)定性的解決方案。首先，通過擴(kuò)展函數(shù)描述法得到傳統(tǒng)的模擬域數(shù)學(xué)模型，并在Saber中搭建仿真模型，利用小信號分析法驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，從而得出得到的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型具有參考性，由此提供了環(huán)路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);其次，采用數(shù)字控制，考慮到其離散特性，分析了數(shù)字控制對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并通過Matlab仿真驗(yàn)證了該理論的正確性，最終設(shè)計(jì)出性能良好的數(shù)字PID補(bǔ)償器;最后，針對實(shí)際應(yīng)用場合，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

前言

　　現(xiàn)今蓄電池充電器常用的充電拓?fù)溆姓?、Buck、Boost以及各種形式的諧振變換器，而諧振變換器憑借其軟開關(guān)特性得到更加廣泛的應(yīng)用，其中半橋LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)簡單，允許空載運(yùn)行并具有較寬的輸入電壓范圍，且通過磁集成技術(shù)可以提高整機(jī)的功率密度，具有明顯的優(yōu)勢，因此文中選用半橋式LLC諧振變換器作為研究對象。此外，由于數(shù)字控制具有元器件少、控制靈活、容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法優(yōu)點(diǎn)，所以文中選用數(shù)字控制。

　　蓄電池充電器主要工作于恒流或恒壓輸出模式，要求變換器具有良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，并且考慮到蓄電池在充電過程中，其所需要的充電電流會不斷變化，即蓄電池負(fù)載并非始終保持恒定，此要求變換器具有較好的動態(tài)性能，能夠較快跟蹤到參考電流變化，而現(xiàn)在市場上的變換器不具備以上特性，所以需要對變換器的控制環(huán)路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先采用擴(kuò)展函數(shù)描述法^[1]對其進(jìn)行建模，得到開環(huán)數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性;其次，分析數(shù)字控制帶來的計(jì)算延時、控制延時對傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定性的影響，并給出相應(yīng)的解決方案并設(shè)計(jì)數(shù)字PID補(bǔ)償器;最后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用參數(shù)，進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)

1.1 擴(kuò)展函數(shù)描述法建模

　　由于諧振變換器的諧振特性，其狀態(tài)變量中含有許多開關(guān)頻率處的信息，傳統(tǒng)的狀態(tài)空間平均法不再適用，因此采用擴(kuò)展函數(shù)描述法(EDF)建立半橋LLC諧振變換器的數(shù)學(xué)模型。如圖1所示為半橋式LLC諧振變換器原理圖。

　　首先，選擇激磁電感電流、諧振電感電流以及諧振電容電壓作為狀態(tài)變量，并根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，列寫非線性時變狀態(tài)方程：

(1)

　　式(1)中：L_r為諧振電感，L_m為激磁電感、C_r1、C_r2為諧振電容。

　　其次，根據(jù)Fourier分解[2]將周期信號分解為正弦函數(shù)之和，只考慮基波分量，得到所需的近似大信號模型，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，變量不隨時間變化而變化，因此忽略模型中的時變分量，即可得到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)求解方程并轉(zhuǎn)化成矩陣形式，最后在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近，進(jìn)行變量分離，獲取系統(tǒng)的小信號數(shù)學(xué)模型，并表示成矩陣形式。

(2)

　　其中，

　　通過以上過程可以得到輸出電壓對開關(guān)頻率的關(guān)系矩陣：

(3)

　　為進(jìn)行環(huán)路設(shè)計(jì)，首先需要驗(yàn)證上述方法得到的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，如表1所示為實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)。

　　在Saber中搭建仿真模型，逐點(diǎn)仿真。仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。

　　為了獲得良好的系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，需加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，因考慮系統(tǒng)的寄生參數(shù)^[2]后，系統(tǒng)階數(shù)較高，因此在設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路時，通過加入適當(dāng)?shù)牧銟O點(diǎn)，來改善系統(tǒng)的頻域特性。本文采用PID控制器^[3]，為實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)對消，將PID控制的表達(dá)式表示成：