LLC 电压环实验:调节 PI 增益,观察工作点移动

本实验在 LLC 变换器上闭合一个 PI 电压环,并允许你在运行中修改它。控制器输出的是开关频率指令,谐振腔把频率转换为增益;负载或输入电压变化时,增益曲线本身也会移动。增益图上的红点就是变换器的工作点,按下播放后它会沿着仿真得到的瞬态过程移动。

场景

PI 控制器(输出 = 频率指令)

5.56e6 Hz/V
1.09e10 Hz/(V·s)
15 µs

参考增益在 500 W、390 V 时给出 2 kHz 穿越频率和 60° 相位裕度。Kp、Ki 的单位是采样节点(2.5 V 基准)每伏对应的开关频率 Hz。

扰动(窗口 10 % 处)

100 % (500 W)
50 % (250 W)
390 V
390 V

限幅与模型

55 kHz
速度t = 0.50 ms

阶跃前 · f_s = 104.1 kHz,f_s/f_r = 1.040,增益 K = 0.985,v_out = 48.000 V

输出 48 V 所需增益:阶跃前 0.985,阶跃后 0.985。工作点位于当前曲线达到该增益之处。

穿越频率(阶跃前)
2000 Hz
相位裕度(阶跃前)
60.0°
增益裕度(阶跃前)
7.8 dB
相位裕度(阶跃后)
63.2° @ 918 Hz
最大偏差
+220 mV
恢复到 ±0.2 % 的时间
0.13 ms
起始 f_s
104.1 kHz
f_s 范围
101.0 – 172.5 kHz

模型:390 V 半桥 LLC,48 V / 500 W,n = 4,L_r = 38 µH,C_r = 66.6 nF,L_m = 190 µH,C_o = 1000 µF(ESR 20 mΩ),与 LLC 环路计算器相同的设计。谐振腔仅由一次谐波近似(FHA)增益曲线和可选的拍频双极点表示,不含开关纹波、同步整流行为、损耗和光耦。裕度由阶跃前后工作点的线性化环路计算。

仿真了什么

每个时间步,控制器计算一个频率,当前负载的增益曲线给出该频率下的谐振腔增益;该增益乘以输入电压再除以匝比,决定注入输出电容的电流,其余由电容、ESR 和负载电阻决定。在工作点附近线性化后,得到的就是 LLC 环路计算器所用的同一个小信号对象,因此在相同设计和增益下,这里显示的相位裕度与该计算器一致。

频率变化时谐振腔的输出不会立刻改变。本实验用拍频 |f_s − f_r|(至少为 f_r 的 5 %)处的双极点近似这种包络延迟,与 LLC 环路计算器的可选项相同。拍频的概念来自谐振变换器的扩展描述函数(EDF)分析,一个固定的双极点只是粗略替代,振铃的具体形状仅供参考。关闭该选项可以看到理想谐振腔下的环路。

为什么对象增益为负

在增益峰值右侧,提高频率会降低增益。输出偏低时控制器必须降低频率。这里的 PI 照常根据误差计算,再取反后加到起始频率上,相当于把对象增益视为负值。看额定负载场景的频率曲线:负载减小、输出上升时,频率会向上跳。

在谐振点(f_s/f_r = 1),所有负载的曲线都经过增益 1。输入 390 V、n = 4 时需要的增益为 0.985,所以变换器工作在谐振点略上方,那里不同负载的曲线几乎重合。这就是额定输入下负载阶跃只会短暂扰动输出的原因:谐振腔包络跟上之后,几乎相同的频率就能再次给出 48 V。

为什么轻载时环路变慢

轻载时谐振点以上的增益曲线变平,同样的频率变化对输出的影响小得多。对象增益由斜率 dV_out/df_s 决定。保持参考增益不变,穿越频率会从 500 W 时的 2 kHz 降到 10 % 负载、400 V 时的约 220 Hz,相位裕度也降到约 36°。请用 50 ms 窗口运行轻载场景,与额定情况比较。

常见对策有增益调度、输入电压前馈,以及极轻载时的突发(burst)模式。本实验不包含突发模式。

容性区与频率限幅

降低输入电压会提高所需增益,工作点沿曲线向峰值爬升;再加上过载,峰值本身也会降低。若瞬态把频率推到峰值以下,斜率反转:降低频率反而使输出下降,控制器朝错误方向越推越远,桥臂失去零电压开关。仿真会在那一刻停止并说明原因。

实际的 LLC 控制器通过把最低频率限幅设在最坏工况曲线(最低输入、最大负载)峰值之上来防止这种情况,通常还配合过流保护。打开限幅并把它设在峰值以下,就能看到位置不当的限幅毫无作用。

可以尝试的操作

把 Kp 和 Ki 一起提高约 3 倍,再让负载从 60 % 阶跃到 100 %。满载时相位裕度变为负值,输出和频率会振荡,直到被限幅为止。在相同增益下把延迟从 15 µs 加到 40 µs,可以看到裕度缩小。然后在轻载工作点按“重新整定”,再阶跃到满载,就能明白为什么只在一个点上整定是不够的。

若要在频域查看同一个环路,请使用 LLC PI 环路计算器;谐振腔本身请使用 LLC 设计计算器。LLC 电压环和 LLC 增益曲线指南提供了背景说明。参考文献:B. Yang, F. C. Lee 等,'LLC resonant converter for front end DC/DC conversion',IEEE APEC 2002;S. Abdel-Rahman,'Resonant LLC Converter: Operation and Design',英飞凌应用笔记 AN 2012-09。

动画严格按照本页给出的公式绘制。不同教材和软件库的约定各不相同,比较数值前请先确认所用代码的约定。