隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，開關電源越來越趨于高頻化、集成化、模塊化。提高換流器開關頻率能有效減小無源器件的體積，提高功率密度，并獲得更加平滑變化的波形。較小的電壓/電流變化率還能改善系統(tǒng)的電磁兼容性，有效降低開關噪聲。

諧振變換器以諧振電路為基本的變換單元，利用諧振時電流或電壓周期性的過零，從而使開關器件在零電壓或零電流條件下開通或關斷，即實現(xiàn)軟開關效應，以達到降低開關損耗來提高效率的目的。諧振變換器與硬開關 PWM 變換器相比，具有開關頻率高、效率高、關斷損耗小、體積小、EMI 噪聲小、開關應力小等諸多優(yōu)點。

諧振拓撲的種類很多，其中 LLC 諧振變換器具有原邊開關管易實現(xiàn)全負載范圍內(nèi)的 ZVS，次級二極管易實現(xiàn) ZCS，以及輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，得到了當前業(yè)內(nèi)廣泛的關注。

本文將通過典型全橋LLC拓撲的分析及仿真來介紹基于 eHS的高頻LLC變換器（78kHz~196kHz）實時仿真案例 。

01? LLC諧振變換器簡介

LLC諧振變換器是一種改進型的LC串聯(lián)諧振變換器，通過在變壓器初級繞組放置一個并聯(lián)電感而得以實現(xiàn)（如圖1所示）。采用并聯(lián)電感可以增加初級繞組的環(huán)流，有利于電路運行。由于這個概念不直觀，在該拓撲首次提出時沒有受到足夠的重視。然而在開關損耗相比通態(tài)損耗占主導比重的高輸入電壓應用中，卻明顯有利于效率的提高。在大多數(shù)實際設計中，該并聯(lián)電感采用變壓器的勵磁電感。

一般情況下，LLC諧振變換器拓撲主要包括如圖1所示的3級電路：高頻開關換流橋，諧振網(wǎng)絡（LLC諧振艙與變壓器），整流網(wǎng)絡。

1. 高頻開關換流橋負責轉(zhuǎn)換直流電壓為高頻方波電壓Vsw。該電壓往往通過占空比為50%的PWM交替驅(qū)動開關組S1,S4 和S2,S3 來實現(xiàn)。 在實際工程中，PWM會引入一個較小的死區(qū)時間。

2. 諧振網(wǎng)絡濾除高次諧波電流。 在本質(zhì)上，即使方波電壓施加到諧振網(wǎng)絡上，也只有正弦電流容許流過該諧振網(wǎng)絡。 通過合理的設計參數(shù)，可使諧振電流滯后于施加到諧振網(wǎng)絡上的電壓(即被施加到半橋圖騰柱上的方波電壓Vsw的基波分量)，容許開關零電壓開通 。

3. 整流器網(wǎng)絡產(chǎn)生直流電壓，采用整流器二極管和電容對交流電進行整流。 整流器網(wǎng)絡可以設計成帶有容性輸出濾波器的全波整流橋或?qū)闹行某轭^配置。

諧振網(wǎng)絡的濾波作用可以采用基波近似原理（Fundamental harmonic approximation），獲得諧振轉(zhuǎn)換器的電壓增益，這需要假定方波電壓的基波分量輸入到諧振網(wǎng)絡，并傳輸電能至輸出端。 由于次級端整流電路可作為阻抗變壓器，所以其等效負載電阻與實際負載電阻并不相同。

諧振變換器增益=開關換流橋增益 * 諧振艙增益*變壓器變比（Ns/Np）

當開關換流橋為全橋拓撲時增益為1，半橋拓撲時增益為0.5。

諧振艙增益可以由下圖FHA等效電路求出：

下方為公式詳細內(nèi)容：

通過對諧振艙增益K，歸一化頻率Fx在不同品質(zhì)因數(shù)Q和諧振電感因數(shù)m下描點可得LLC諧振變換器的典型增益曲線圖。圖3為m=6時的一組LLC諧振變換器典型增益曲線圖。

如上圖所示，低品質(zhì)因素曲線為輕載運行曲線，高品質(zhì)因數(shù)曲線為高載運行曲線，且所有曲線均由一個單位增益并通過串聯(lián)諧振頻率基點（Fx=1）。要實現(xiàn)開關的零電壓開通，需要使諧振網(wǎng)絡的輸入電流滯后于輸入電壓的基波，即要求LLC諧振變換器工作在上圖的感性區(qū)。

02? LLC諧振變換器的工作模式

由于LLC諧振變換器基于頻率調(diào)試的特性，根據(jù)不同的輸入電壓和負載等級，可有如下幾種工作模式：

1. 開關頻率等于串聯(lián)諧振頻率，fs=fr。

2. 開關頻率大于串聯(lián)諧振頻率，fs>fr。

3. 開關頻率小于串聯(lián)諧振頻率且大于串并聯(lián)諧振頻率，fr>fs>fm。

上述三種工作模式會包含下述一種或全部工況：

01?功率傳遞工況

此工況會在開關周期中發(fā)生2次。第一次為當諧振艙為正電壓激勵時，諧振電流在第一個半開關周期為正方向（圖5）。第二次為當諧振艙為負電壓激勵時，諧振電流在第二個半開關周期為負方向（圖6）。

在功率傳遞工況下，當勵磁電感電壓等效為正/負電壓時，勵磁電流為相應的充/放電狀態(tài)。故諧振電流與勵磁電流的變化通過變壓器與整流網(wǎng)絡傳遞到負載上。

?02 慣性工況

此工況通常在功率傳遞工況后且當諧振電流等于勵磁電流時，故僅在fm<fs<fr工作模式下發(fā)生。當諧振電流等于勵磁電流時，變壓器第二級電流為0以致整流器斷續(xù)，致使勵磁電感與諧振電感電容共同參與諧振（圖7，圖8）。

LLC諧振變換器的3種工作模式

03? LLC諧振變換器的實時仿真實現(xiàn)

基于LLC諧振變換器的高頻工作特性，如何將LLC諧振變換器精準的實時離線化建模仿真，已成為業(yè)內(nèi)重點關注的難題之一。OPAL-RT結合25年實時仿真技術研發(fā)背景和電力電子領域的強大實踐經(jīng)驗，通過使用eHS（當前業(yè)內(nèi)最強大的，最簡便易用的基于FPGA的電力電子硬件解算器）提供了高精確的LLC諧振變換器實時仿真方案。該方案兼?zhèn)?span id="s0sssss00s" class="color-blue-02">高精確、高性能與低延遲等優(yōu)點，可為電力電子工程師提供成熟可靠的基于FPGA的LLC諧振變換器仿真平臺。

以下圖基于Simulink的SimPowerSystem的LLC諧振變換器離線模型為例：

通過OPAL-RT新一代電路編輯器Schematic Editor搭建等效的LLC諧振變換器模型：

開關換流橋的高頻門信號通過RT-LAB PWMO模塊送出，經(jīng)由DB37 loopback線送入到eHS的DIN數(shù)字輸入端口來驅(qū)動對應的開關管。將eHS LLC諧振變換器的輸出通過RT-LAB FPGA scope（最大采樣率為eHS的FPGA模型仿真步長）抓取與Simulink SPS離線模型進行對比。

由上圖仿真結果可以看出，eHS對LLC諧振變換器的仿真結果在三種不同的運作模式下均與Simulink SPS離線有效實現(xiàn)了軟開關效應ZVS，且兩者結果高度匹配。通過與Simulink SPS離線仿真結果的對比，證明了eHS在處理高頻LLC諧振變換器的實時仿真結果是準確且高效的。

該仿真方案及其更高的開關頻率應用已在國內(nèi)外多個新能源汽車和儲能研發(fā)公司成功實施和交付。

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引用：

[1] Bo Yang, Lee, F.C, A.J Zhang, Guisong Huang, “LLC resonant converter for front end DC/DC conversion” APEC2002.pp.1108-1112.

[2] Half-bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-series Fairchild Power Switch (FPSTM) Application Note AN-4151 Fairchild semi.

[3] Resonant LLC Converter: Operation and Design Application Note AN 2012-09 Infineon.