LC串联谐振拓扑仿真建模及控制策略分析

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。

上一期内容中我们对 LC 串联谐振变换器的工作原理进行了分析，今天继续为大家分享 LC 串联谐振变换器的仿真建模及控制策略分析。
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

01、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：

02、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
03、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

01、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“Elec trical Sources”，选择“DC Voltagte 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：

02、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。
03、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。