【⽂原创】PSPICE环境下的LLC闭环仿真建模
原创技术贴——仿真
PSPICE 环境下 LLC 闭环仿真建模
昨天晚上突然脑洞⼤开，终于把⼀直想完成，但是始终没有成功的 LLC 闭环仿真的模型完成了。 谐振半桥 LLC 的控制⽅式不同于传统 PWM 的定频调占空⽐，其控制的关键是，⽤电压或电流之中的某个变量来控制开关频率。 传统的 PWM 的电压模式，⽤反馈电压和某个三⾓波⽐较，得出占空⽐实现闭环。
峰值电流模式，将反馈电压和采集的电流>电流信号⽐较，电流内环决定占空⽐实现闭环控制。
那么 LLC 闭环仿真的关键点，就是实现⽤反馈变量来控制开关频率的。另外⼀个关键点就是，两路接近50%占空⽐的驱动，两路之间的驱动要加⼊死区时间。死区时间和实现零电压开关有很重要的关系，所以模型上这个死区时间就要可调。我曾经在⽹站上看到有位⼤师，使⽤了 L6599A 内部的电路，成功的实现了电流控制频率的振荡器，这就是 LLC
闭环的关键点。
下⾯先看看这位⼤师的建模过程和⽅法：
L6599A 内部的原理图
上图就是 L6599A 内部振荡器的原理部分，我们可以根据这个电路在仿真环境来实现它的功能。原理图中的⼀些关键点参数，见下图：
原理图的关键参数
李兆宗这个原理图的简单意思是：运放的在输出有 2V 电压，这个运放会驱动三极管流过电流，流过三极管的电流会被电流镜像。
▶2V/RFmin 这个电流，会通过两个电流镜电路对到控制频率的 CF 充电。
▶Km * IR 会对电容 CF 充电。电容电压达到了 4V，SR 触发器会给出个低电平。
▶三极管导通会对 CF 电容以 2*Km *IR 电流放电。当电容电压低于 1V 后⽐较器给 S 脚⾼电平，SR 触发器置位。
▶Q 发⾼电平，控制三极管导通将另外两个三极管的 B 极电流拉⾛，使两个三极管关闭，让恒流源对电容放电。
所以如果以⼀个固定的电流对 CF 充电，⽽且充电和放电的电流固定且相等，那么就可以产⽣开和关，时间产⽣对称的波形了，只是还差个死区时间。
既然已经了解原理，我们就来在 PSPICE 建⽴这个模型，需要⽤到的是恒压源、流控电流源、RS 触发器、⽐较器、压控开关。
L6599A 的振荡器电路模型
见上图，在放电时，⽤两倍的放电电流，因为上⾯的电流镜 F1 还在流过1倍的电流。运⾏模型后可以得到对称的三⾓波和⽅波。D1 为放电电流源提供关闭时的通道。
对称的三⾓波
另外要注意的是死区时间的电路，可以这样实现。利⽤⽐较器，和⼀个恒流源对电容充电。当电容电压达到 1V 时，⽐较器输出⾼电平。那么从 0~1V 的时间就是插⼊的死区时间。将死区时间和频率控制结合起来就可以成功的闭环仿真了。
死区时间产⽣
见整个闭环控制模型，挺复杂，仿真速度⽐较慢。我的 I5 4590 + 8G 内存配置，运⾏了⼀个 0 ~20ms 的启动波形，跑了5分钟。
工笔花鸟论文
闭环的 LLC 模型
上电前 20ms 波形：
得到瞬态仿真波形
为了提⾼仿真速度，最好就是简化 VCO 电路，我在仿真模型库⾥⾯看到⼀个电压控制频率的模型：在 anl_misc 库VCO_SQR。功能是：输⼊电压越⾼，输出频率越⾼，电压越低频率越低。这简直是绝佳的 LLC 仿真控制器，⽐采⽤L6599A 的电流镜、⽐较器什么，要快很多倍。因此改进后的控制模型：（这⾥频率变化范围是从 70K 到 250KHZ 之间，电压控制范围是从+5 ~ -5，外⾯⽤⼀个光耦流过电流加到 R2 上产⽣电压，就可以实现了闭环控制，⾮常之简单）利⽤ PSPICE 再带的 VCO 模型
整体闭环模型，包含死区时间控制：
新的闭环 LLC 模型
仿真结果，速度要快很多，附⼀个测试波形。
仿真后得到的波形，⼯作频率稍低于谐振频率
下载提⽰
▪仿真环境：Orcad captrue PSPICE A/D 16.6
▪参考⽂档：ST L6599A 数据⼿册
▪仿真⽂件：LLC_CL_HB_V1.zip
▪原理图：LLC_CL_HB_V1.pdf
理解电流控制模式的 LLC 和其闭环仿真模型。
注意
注意
本⽂是论⽂ Bang - Bang Charge Control for LLC Resonant Converters 提出的控制思想学习和模仿。下⽂只是对其学习和理解。
该论⽂提出了⼀种将谐振电流引⼊控制环路的办法，通过实验证明了这种控制⽅法⾮常⾼效。
根据论⽂的控制思想建⽴仿真模型：
局域表面等离子体共振
这种控制思路显然和普通的 LLC 控制不同，下图是参考 L6599A 通过反馈拉电流控制频率的⽅法。
该模型将电流加⼊反馈的关键电路在这⾥：
由误差放⼤器的输出 Verr 给定 VCS 电压的上限，由母线电压-误差放⼤器 (Vin-Verr) 的输出电压，给定了 Vcs 的下限。上图的 E5 和 E6 分别是检测母线电压和谐振电容上的电压，⽐例为0.01125。这个⽐例很重要，是决定了最低和最⾼的开关频率，和⼯作范围。
从下图可以很容易看出这个电路是如何⼯作的。误差放⼤器给定上限，当 VCS 电压⾼于 Verr 后，⽐较发出⾼电平到触发器的 R 脚，⽤来关闭当前 Q 脚上的⾼电平。Vin-Verr 给定 Vcs 的下限，当 Vcs 低于这个给定后，发出⾼电平的 S 到触发器，⽤来发出⼀个新的⾼电平的 Q。开始⼀个新的周期，可见下图。
模型作⽤简单说明后，开始跑⼀个 25ms 的上电仿真。其上电过冲⽐电压模式⼩了很多很多。
▪最上侧为输出电压
▪中间的是谐振电流
▪最下侧为电流控制波形，当然需要展开才能看到
展开可以清晰看到，这个控制电路是如何⼯作的。此时⼯作电压稳定在 53.5V，⼯作频率也基本在谐振频率上。
⽤谐振电流参与反馈，确实能较⼤的提升 LLC 的性能。特别是关于过流和母线电压瞬变时，这两个问题是 LLC 的难题。假设过流时谐振电容电压会快速升⾼，VCS 很快⾼于 Verr 的给定，发出⾼电平的 R 复位信号，让触发器关闭当前周期。
王孟英这样可以⾮常快速的提升开关频率，达到逐个周期的功率限制作⽤。
考虑母线电压瞬变时：
母线电压被快速拉低，让 SS 引脚为⾼电平的给定为（Vin -Verr ）。Vin ⼤幅度下降，则 SS 引脚为⾼的给定也被拉的更低。让 VCS 上的电压低于（Vin -Verr）需要的时间更长，这样可以使在母线电压瞬变时，让当前周期的开通时间加长或减少，达到降低或提升频率，达到快速稳定输出的电压的⽬的。
这个控制⽅式，将母线电压和谐振电流都引起控制环路，根据论⽂的说法是将功率级降低为⼀阶系统，可以⼤幅度的提⾼动态响应性能，⼤⼤提升系统的带宽。
其实，仔细⼀想其过流保护和母线电压瞬变的⼯作，就能有所了解。将 LLC 的两个关键参数引⼊控制后，对 LLC 的性能提升确实很厉害。
更新⼏个模型：
❶楼上的 LLC 的电流控制模式仿真：
❷全桥 LLC
❸再补充⼀个全桥 LLC 的恒压恒流，均流的仿真。
▪上电：
▪稳态：
▪ LLC_CM_CL_V1_0.zip
▪ LLC_FB_CL_V1.zip
青岛滨海职业学院▪原理图：3.pdf
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