做电源设计或者电力电子方向的研究很多人第一次接触LLC谐振变换器时都会经历一种“好像懂了又说不出波形具体长什么样”的状态。网上的公式推导、效率曲线和结构图很多但真正落实到Matlab/Simulink里搭一个能跑的模型搞清楚谐振电流长什么样、怎么看ZVS是否实现反而要花不少时间。这篇文章不讲高深数学直接用Simulink搭一个全桥LLC谐振变换器的开环仿真模型从拓扑结构、参数设置到关键波形分析一次讲清楚。仿真环境使用Simulink中的Simscape Electrical模块这是电源工程师做电路级仿真最常用的工具可能你会更熟悉它以前的叫法SimPowerSystems。读完这篇文章你可以做到三件事。第一按照文中的模块路径和参数完整复现一个全桥LLC开环仿真模型第二正确辨认驱动波形、MOSFET漏源电压、谐振电流、谐振电容电压、变压器原边电压和输出电压这些核心波形第三模型跑不通或者波形不对时能根据排查清单快速定位问题。开环仿真看起来比闭环简单但它恰恰是理解LLC工作原理、调试闭环参数的基础值得先把这一步走扎实。1. 为什么先从开环仿真开始LLC谐振变换器的闭环控制并不复杂常用的就是PFM脉冲频率调制方式输出电压反馈去调节开关频率。很多初学者可能急着直接把闭环搭出来结果遇到一堆问题环路参数不会调、启动波形有振荡、不知道功率级本身工作是否正常。这里真正容易踩坑的地方是如果功率级本身没搭对闭环再花心思也没有意义。开环仿真的价值就在这里。开环仿真指开关频率和驱动占空比固定不加入输出电压反馈。它不会自动稳住输出电压负载变化时输出电压会变化这是正常现象。既然没有反馈环路那模型跑起来就不容易出现环路振荡、参数不收敛的问题更适合用来验证硬件拓扑是否合理、驱动逻辑是否正确、谐振参数选取是否合适。开环仿真在工程实践中还有一个很务实的作用判断开关管到底工作在ZVS还是ZCS状态。LLC变换器强调软开关但软开关不是天然存在的它取决于开关频率和谐振频率的关系也取决于死区时间是否给够。看Vgs和Vds的相对时序就能直接判断这个在仿真中一目了然在硬件板上反而要探头、示波器同时抓两路信号麻烦得多。所以本文的设计思路是先跑通开环模型把波形看懂再向闭环或者参数优化推进。仿真中发现的波形规律和硬件调试时的现象是一致的。2. 全桥LLC的电路结构与工作原理2.1 全桥LLC拓扑结构LLC谐振变换器由四部分组成逆变网络、谐振网络、变压器与整流网络、输出滤波。全桥与半桥的区别主要集中在逆变网络。全桥LLC使用四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成两个桥臂对角开关管同时导通在桥臂中点A和B之间产生正负交替的方波电压。半桥LLC只用两个开关管桥臂中点输出的是0到Vin之间变化的方波。全桥结构输入电压利用率高原边开关管电压应力为输入电压适用于中大功率场景比如车载充电机、服务器电源、通信电源。谐振网络是LLC名字的由来它由三个元件组成谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm。Lr通常由独立的谐振电感承担也可以把变压器漏感算进去Cr是串联谐振电容Lm是变压器励磁电感也参与谐振过程。谐振网络位于逆变桥和变压器之间作用是滤除谐波让流入变压器的电流接近正弦。变压器负责电气隔离和电压匹配副边采用整流二极管或同步整流管。本文模型副边使用四个二极管组成全桥整流搭配输出电容和负载电阻。2.2 三个谐振元件的分工可以把LLC谐振网络理解成一个“变频电压分配器”。不同的开关频率下Lr、Cr、Lm的等效阻抗不同最终反射到副边的电压增益也不同。这是LLC能通过调节频率实现稳压的根本原因。这里需要理解两个谐振频率。第一个谐振频率fr1由Lr和Cr决定fr1 1 / (2π√(Lr × Cr))在fr1附近Lr和Cr发生串联谐振阻抗最低谐振电流最大功率传输能力最强。第二个谐振频率fr2由Lr、Cr、Lm共同决定fr2 1 / (2π√((Lr Lm) × Cr))fr2远低于fr1此时Lm也参与谐振通常会伴随副边电流断续。按照开关频率位置LLC存在两种典型工作状态。当开关频率在fr2和fr1之间时原边开关管能实现ZVS这是最常见的正常工作区间。当开关频率低于fr2时副边整流二极管电流断续原边开关管可能失去ZVS条件进入ZCS区域。当开关频率高于fr1时Lm不再被副边反射电压钳位几乎不参与谐振此时电路接近于普通的串联谐振变换器轻载时调压能力下降。本文仿真模型中选取开关频率100kHzfr1约100.66kHzfr2约33.56kHz。也就是说开关频率略低于fr1但远高于fr2正好落在正常的感性ZVS工作区能看到标准的LLC波形。2.3 开环仿真应关注的几类波形开环仿真要观察的波形其实对应的是LLC变换器的五组核心信号驱动波形Q1Q4、Q2Q3两组互补PWM决定开关时序。MOSFET漏源电压Vds用于判断开关管是否实现ZVS。谐振电流iLr流过谐振电感的电流正常时接近正弦。谐振电容电压vCr反映谐振电容的电压应力全桥拓扑中没有直流偏置。变压器原边电压vp和输出电压Vout用于确认变压器变比和整流滤波是否正常。这些波形在Scope中同时观察基本就能判断模型是否工作在正确状态。3. 搭建环境与模型总体规划3.1 软件环境说明本文模型基于Matlab/Simulink需要安装Simulink和Simscape Electrical工具箱。不同Matlab版本中模块位置可能略有差异但大体路径相似。建议使用R2022b及以上版本本文重点是通用建模思路不绑定具体版本。需要说明的是Matlab中电力电子仿真主要有两条路线一条是Simscape Electrical中的Specialized Power Systems原SimPowerSystems另一条是Simscape新框架下的元件模型。本文采用Specialized Power Systems因为它的模块库对电源类仿真更直观支持开关管、二极管、变压器等原理级模型且必须放置powergui模块才能运行。3.2 模型参数表搭建之前先把参数定下来。以下是一组典型的全桥LLC开环仿真参数输入电压400V输出目标约12V功率约480W。参数值兼顾了教学演示的清晰度和常用设计范围。参数符号数值说明输入电压Vin400V模拟PFC母线电压开关频率fsw100kHz工作频率谐振电感Lr25uH包含漏感谐振电容Cr100nF与Lr配合励磁电感Lm200uH变压器磁化电感变压器匝比Np:Ns16:1原边16副边1输出电容Cout470uF滤波电容负载电阻RL0.3Ω满载约12V/40A门极电压Vgate15V驱动幅值死区时间Tdead约200ns两路驱动间隔谐振频率可以由Lr、Cr直接算出约100.66kHz开关频率100kHz落在感性区这是LLC最典型的工况。3.3 模型结构规划整个模型按信号流分成四个模块驱动信号生成、主功率电路、变压器与整流滤波、测量显示。驱动信号生成负责产生两组带死区的PWM主功率电路包括直流源、四个MOSFET、谐振电感和谐振电容变压器与整流滤波负责电压变换和输出测量显示用多个Scope观察关键波形。这种分层思路有助于排错哪个模块波形不对就单独检查哪一部分不用在一个大模型里来回翻。模型文件可以命名为LLC_fullbridge_openloop.slx。4. 基于Simulink搭建全桥LLC开环模型4.1 驱动信号模块驱动信号是模型能跑起来的前提。全桥LLC需要两组互补的PWM信号Q1和Q4同时导通Q2和Q3同时导通两组之间必须留死区否则直通短路。这里用两个Pulse Generator模块产生基础驱动信号再加上死区延迟。Pulse Generator可以从Simulink库中的Simulink Sources找到。第一个Pulse Generator用于Q1和Q4参数设置如下。脉冲类型选择Time based仿真时间和Pulse Generator的时基选择Use simulation time这样信号源直接按时间轴产生波形。Period: 10e-6Pulse Width: 48Phase delay: 0Amplitude: 15第二个Pulse Generator用于Q2和Q3参数只需修改Phase delay为5e-6其他相同。这里的48表示占空比48%周期10us半个开关周期5us因此高电平持续4.8us留出0.2us死区。Q2Q3的相位延迟5us刚好错开半个周期于是两组驱动是互补关系且中间有200ns的间隙。这就模拟了最简单的带死区的全桥驱动逻辑。实际硬件中上管需要隔离或自举驱动但仿真中Pulse Generator作为逻辑信号直接接MOSFET的g端即可不需要搭建完整驱动电路。4.2 主功率电路主功率电路使用Simscape Electrical模块库。先放一个DC Voltage Source电压设为400V。四个MOSFET从Simscape Electrical Specialized Power Systems Power Electronics中选取。MOSFET参数可以先保留默认重点确认“Internal diode”选项存在因为实际MOSFET内部有体二极管死区期间谐振电流要靠体二极管续流这是形成ZVS的重要条件。连接顺序按全桥拓扑进行。以直流源正端为起点Q1连接正端和桥臂中点AQ3连接桥臂中点A和直流源负端Q2连接正端和桥臂中点BQ4连接桥臂中点B和直流源负端。也就是说Q1与Q3组成一个桥臂Q2与Q4组成另一个桥臂两个桥臂中点的电压差就是全桥逆变输出。桥臂中点A与B之间串入谐振支路从A点出发经过谐振电感Lr再经过谐振电容Cr到达变压器原边的上端。变压器原边下端连接桥臂中点B。励磁电感Lm跨接在变压器原边两端这个接法很关键因为LLC原理图中Lm与变压器原边并联。谐振电感直接使用一个Series RLC Branch模块设置R为0L为25e-6C不启用。谐振电容同理使用另一个Series RLC BranchR为0L不启用C为100e-9。励磁电感可以再放一个Series RLC BranchR为0L为200e-6并联在变压器原边两端。需要注意Series RLC Branch中不用的元件要设置成inf或0。实际操作中把Series RLC Branch的Branch type设为L它就只有电感参数有效。4.3 变压器与整流滤波变压器使用Ideal Transformer模块路径在Simscape Electrical Specialized Power Systems Fundamentals Blocks Elements。参数中需要设置原边和副边绕组匝数比。本文模型设置为16:1即原边绕组16副边绕组1。Ideal Transformer只有变比关系不含漏感和磁化电感。前面已经在外部并联了Lm所以这种简化方式既能保留主要特性又不涉及复杂的变压器标幺参数计算很适合教学演示。变压器副边接四个二极管全桥整流。四个二极管从Power Electronics库中选取连接成标准单相全桥整流电路。整流桥正输出端接输出电容正端和负载电阻上端整流桥负输出端接输出电容负端和负载电阻下端。输出电容使用一个Parallel RLC BranchBranch type设为C电容值470uF。负载电阻使用另一个Parallel RLC BranchBranch type设为R电阻值0.3Ω。如果整流后输出电压为负数把变压器副边两个端子交换即可这是同名端方向问题。4.4 测量与示波器配置为了观察关键波形需要放置多个测量模块。Voltage Measurement和Current Measurement都位于Measurements库中。需要测量的信号包括输入直流电压Vin并联在直流源两端。Q1的漏源电压Vds_Q1并联在Q1的D和S之间。谐振电流iLr串联在Lr支路中。谐振电容电压vCr并联在Cr两端。变压器原边电压vp并联在变压器原边绕组两端。输出电压Vout并联在负载两端。副边整流二极管D1的电流串联在对应二极管支路中。每个测量模块的输出接到Scope。建议分成三个Scope第一个Scope看驱动和Vds第二个Scope看谐振电流、谐振电容电压、变压器原边电压第三个Scope看输出电压和二极管电流。分开观察比全部塞进一个Scope更容易定位问题。5. 模型参数设置与求解器配置5.1 关键模块参数模块放置完成后需要逐项确认参数。下面把容易出错的几个模块列出来。DC Voltage Source的Amplitude设为400V它可以看作理想电压源内阻为0。MOSFET的参数可以保留默认但需要确认开关管逻辑为高电平导通。Pulse Generator输出的15V信号接g端口当驱动为15V时开关管导通为0时关断。仿真中所有开关管共用一个地但在实际硬件电路中上管的栅极驱动必须隔离或自举。Ideal Transformer的变比设置方法不同版本略有不同一般直接在Winding ratio中输入primary/secondary。如果参数是Primary winding 16Secondary winding 1那就是16:1。副边绕组中心抽头在本模型中不涉及副边使用两个端子即可。5.2 求解器设置Simulink中的求解器设置对电力电子仿真影响非常大。开关管动作时电路拓扑发生切换如果求解器不合适很容易出现不收敛或者波形毛刺。打开模型配置参数在Solver选项卡中Solver选择Variable-stepSolver选择ode23tb。ode23tb适用于刚性电路问题开关电源仿真中使用较多。相对容差设为1e-4最大步长设为1e-7这样在100kHz开关频率下每个开关周期内约有100个采样点波形足够平滑。最大步长不能设置得太大。如果设为默认的auto开关瞬间可能被跨过去波形看起来就会有明显的高频振荡或者时间轴上的跳变。电源仿真中最大步长一般控制在开关周期的百分之一左右。同时模型中必须有powergui模块。powergui位于Simscape Electrical Specialized Power Systems中直接拖入模型任意位置保持默认参数即可。如果遗漏powergui模型运行时会出现明显的报错提示。6. 开环仿真运行与关键波形分析6.1 运行步骤所有模块连接完成后保存模型在仿真选项卡中设置Stop Time为0.002s即2ms。以100kHz开关频率计算2ms内包含200个开关周期输出电容充电和启动暂态已经可以稳定足够观察完整波形。点击Run按钮运行仿真。仿真过程可能需要几十秒到几分钟具体取决于电脑性能和求解器设置。运行完成后打开三个Scope查看波形。如果仿真报错首先检查powergui是否缺失其次检查是否有模块未连接。模型中的每个测量模块必须连接有效信号未连接的Scope输入会导致仿真报错。6.2 波形一驱动信号与MOSFET漏源电压第一个Scope中可以看到两路驱动波形。Q1Q4的驱动为高电平时Q2Q3驱动为低电平两组信号之间有明显的时间间隔这就是死区。死区时间约0.2us比开关周期10us小很多从波形上能看到一组下降沿和另一组上升沿之间存在间隙。判断ZVS的关键在于同时看Q1的Vds和Q1的驱动信号。Q1关断后Vds会先从0上升然后在死区时间内谐振电流给Q1输出电容充电、给Q2输出电容放电Vds达到母线电压附近。等到下一周期Q1的驱动信号变为高电平时如果Vds已经降到接近0V说明电流已经通过Q1的体二极管续流此时开通就是ZVS。如果驱动变高时Vds仍然很高就说明硬开通了损耗会明显增大。在本文参数下开关频率100kHz与谐振频率接近原边应工作于感性ZVS区。Scope中会看到Vds的下降沿出现在驱动上升沿之前这是ZVS已经建立了。6.3 波形二谐振电流与谐振电容电压第二个Scope中的谐振电流iLr是LLC辨识度最高的波形。在正常工作状态下iLr呈良好正弦形状正负对称。电流峰值大约 全桥LLC谐振变换器Simulink开环仿真与关键波形分析
做电源设计或者电力电子方向的研究很多人第一次接触LLC谐振变换器时都会经历一种“好像懂了又说不出波形具体长什么样”的状态。网上的公式推导、效率曲线和结构图很多但真正落实到Matlab/Simulink里搭一个能跑的模型搞清楚谐振电流长什么样、怎么看ZVS是否实现反而要花不少时间。这篇文章不讲高深数学直接用Simulink搭一个全桥LLC谐振变换器的开环仿真模型从拓扑结构、参数设置到关键波形分析一次讲清楚。仿真环境使用Simulink中的Simscape Electrical模块这是电源工程师做电路级仿真最常用的工具可能你会更熟悉它以前的叫法SimPowerSystems。读完这篇文章你可以做到三件事。第一按照文中的模块路径和参数完整复现一个全桥LLC开环仿真模型第二正确辨认驱动波形、MOSFET漏源电压、谐振电流、谐振电容电压、变压器原边电压和输出电压这些核心波形第三模型跑不通或者波形不对时能根据排查清单快速定位问题。开环仿真看起来比闭环简单但它恰恰是理解LLC工作原理、调试闭环参数的基础值得先把这一步走扎实。1. 为什么先从开环仿真开始LLC谐振变换器的闭环控制并不复杂常用的就是PFM脉冲频率调制方式输出电压反馈去调节开关频率。很多初学者可能急着直接把闭环搭出来结果遇到一堆问题环路参数不会调、启动波形有振荡、不知道功率级本身工作是否正常。这里真正容易踩坑的地方是如果功率级本身没搭对闭环再花心思也没有意义。开环仿真的价值就在这里。开环仿真指开关频率和驱动占空比固定不加入输出电压反馈。它不会自动稳住输出电压负载变化时输出电压会变化这是正常现象。既然没有反馈环路那模型跑起来就不容易出现环路振荡、参数不收敛的问题更适合用来验证硬件拓扑是否合理、驱动逻辑是否正确、谐振参数选取是否合适。开环仿真在工程实践中还有一个很务实的作用判断开关管到底工作在ZVS还是ZCS状态。LLC变换器强调软开关但软开关不是天然存在的它取决于开关频率和谐振频率的关系也取决于死区时间是否给够。看Vgs和Vds的相对时序就能直接判断这个在仿真中一目了然在硬件板上反而要探头、示波器同时抓两路信号麻烦得多。所以本文的设计思路是先跑通开环模型把波形看懂再向闭环或者参数优化推进。仿真中发现的波形规律和硬件调试时的现象是一致的。2. 全桥LLC的电路结构与工作原理2.1 全桥LLC拓扑结构LLC谐振变换器由四部分组成逆变网络、谐振网络、变压器与整流网络、输出滤波。全桥与半桥的区别主要集中在逆变网络。全桥LLC使用四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成两个桥臂对角开关管同时导通在桥臂中点A和B之间产生正负交替的方波电压。半桥LLC只用两个开关管桥臂中点输出的是0到Vin之间变化的方波。全桥结构输入电压利用率高原边开关管电压应力为输入电压适用于中大功率场景比如车载充电机、服务器电源、通信电源。谐振网络是LLC名字的由来它由三个元件组成谐振电感Lr、谐振电容Cr、励磁电感Lm。Lr通常由独立的谐振电感承担也可以把变压器漏感算进去Cr是串联谐振电容Lm是变压器励磁电感也参与谐振过程。谐振网络位于逆变桥和变压器之间作用是滤除谐波让流入变压器的电流接近正弦。变压器负责电气隔离和电压匹配副边采用整流二极管或同步整流管。本文模型副边使用四个二极管组成全桥整流搭配输出电容和负载电阻。2.2 三个谐振元件的分工可以把LLC谐振网络理解成一个“变频电压分配器”。不同的开关频率下Lr、Cr、Lm的等效阻抗不同最终反射到副边的电压增益也不同。这是LLC能通过调节频率实现稳压的根本原因。这里需要理解两个谐振频率。第一个谐振频率fr1由Lr和Cr决定fr1 1 / (2π√(Lr × Cr))在fr1附近Lr和Cr发生串联谐振阻抗最低谐振电流最大功率传输能力最强。第二个谐振频率fr2由Lr、Cr、Lm共同决定fr2 1 / (2π√((Lr Lm) × Cr))fr2远低于fr1此时Lm也参与谐振通常会伴随副边电流断续。按照开关频率位置LLC存在两种典型工作状态。当开关频率在fr2和fr1之间时原边开关管能实现ZVS这是最常见的正常工作区间。当开关频率低于fr2时副边整流二极管电流断续原边开关管可能失去ZVS条件进入ZCS区域。当开关频率高于fr1时Lm不再被副边反射电压钳位几乎不参与谐振此时电路接近于普通的串联谐振变换器轻载时调压能力下降。本文仿真模型中选取开关频率100kHzfr1约100.66kHzfr2约33.56kHz。也就是说开关频率略低于fr1但远高于fr2正好落在正常的感性ZVS工作区能看到标准的LLC波形。2.3 开环仿真应关注的几类波形开环仿真要观察的波形其实对应的是LLC变换器的五组核心信号驱动波形Q1Q4、Q2Q3两组互补PWM决定开关时序。MOSFET漏源电压Vds用于判断开关管是否实现ZVS。谐振电流iLr流过谐振电感的电流正常时接近正弦。谐振电容电压vCr反映谐振电容的电压应力全桥拓扑中没有直流偏置。变压器原边电压vp和输出电压Vout用于确认变压器变比和整流滤波是否正常。这些波形在Scope中同时观察基本就能判断模型是否工作在正确状态。3. 搭建环境与模型总体规划3.1 软件环境说明本文模型基于Matlab/Simulink需要安装Simulink和Simscape Electrical工具箱。不同Matlab版本中模块位置可能略有差异但大体路径相似。建议使用R2022b及以上版本本文重点是通用建模思路不绑定具体版本。需要说明的是Matlab中电力电子仿真主要有两条路线一条是Simscape Electrical中的Specialized Power Systems原SimPowerSystems另一条是Simscape新框架下的元件模型。本文采用Specialized Power Systems因为它的模块库对电源类仿真更直观支持开关管、二极管、变压器等原理级模型且必须放置powergui模块才能运行。3.2 模型参数表搭建之前先把参数定下来。以下是一组典型的全桥LLC开环仿真参数输入电压400V输出目标约12V功率约480W。参数值兼顾了教学演示的清晰度和常用设计范围。参数符号数值说明输入电压Vin400V模拟PFC母线电压开关频率fsw100kHz工作频率谐振电感Lr25uH包含漏感谐振电容Cr100nF与Lr配合励磁电感Lm200uH变压器磁化电感变压器匝比Np:Ns16:1原边16副边1输出电容Cout470uF滤波电容负载电阻RL0.3Ω满载约12V/40A门极电压Vgate15V驱动幅值死区时间Tdead约200ns两路驱动间隔谐振频率可以由Lr、Cr直接算出约100.66kHz开关频率100kHz落在感性区这是LLC最典型的工况。3.3 模型结构规划整个模型按信号流分成四个模块驱动信号生成、主功率电路、变压器与整流滤波、测量显示。驱动信号生成负责产生两组带死区的PWM主功率电路包括直流源、四个MOSFET、谐振电感和谐振电容变压器与整流滤波负责电压变换和输出测量显示用多个Scope观察关键波形。这种分层思路有助于排错哪个模块波形不对就单独检查哪一部分不用在一个大模型里来回翻。模型文件可以命名为LLC_fullbridge_openloop.slx。4. 基于Simulink搭建全桥LLC开环模型4.1 驱动信号模块驱动信号是模型能跑起来的前提。全桥LLC需要两组互补的PWM信号Q1和Q4同时导通Q2和Q3同时导通两组之间必须留死区否则直通短路。这里用两个Pulse Generator模块产生基础驱动信号再加上死区延迟。Pulse Generator可以从Simulink库中的Simulink Sources找到。第一个Pulse Generator用于Q1和Q4参数设置如下。脉冲类型选择Time based仿真时间和Pulse Generator的时基选择Use simulation time这样信号源直接按时间轴产生波形。Period: 10e-6Pulse Width: 48Phase delay: 0Amplitude: 15第二个Pulse Generator用于Q2和Q3参数只需修改Phase delay为5e-6其他相同。这里的48表示占空比48%周期10us半个开关周期5us因此高电平持续4.8us留出0.2us死区。Q2Q3的相位延迟5us刚好错开半个周期于是两组驱动是互补关系且中间有200ns的间隙。这就模拟了最简单的带死区的全桥驱动逻辑。实际硬件中上管需要隔离或自举驱动但仿真中Pulse Generator作为逻辑信号直接接MOSFET的g端即可不需要搭建完整驱动电路。4.2 主功率电路主功率电路使用Simscape Electrical模块库。先放一个DC Voltage Source电压设为400V。四个MOSFET从Simscape Electrical Specialized Power Systems Power Electronics中选取。MOSFET参数可以先保留默认重点确认“Internal diode”选项存在因为实际MOSFET内部有体二极管死区期间谐振电流要靠体二极管续流这是形成ZVS的重要条件。连接顺序按全桥拓扑进行。以直流源正端为起点Q1连接正端和桥臂中点AQ3连接桥臂中点A和直流源负端Q2连接正端和桥臂中点BQ4连接桥臂中点B和直流源负端。也就是说Q1与Q3组成一个桥臂Q2与Q4组成另一个桥臂两个桥臂中点的电压差就是全桥逆变输出。桥臂中点A与B之间串入谐振支路从A点出发经过谐振电感Lr再经过谐振电容Cr到达变压器原边的上端。变压器原边下端连接桥臂中点B。励磁电感Lm跨接在变压器原边两端这个接法很关键因为LLC原理图中Lm与变压器原边并联。谐振电感直接使用一个Series RLC Branch模块设置R为0L为25e-6C不启用。谐振电容同理使用另一个Series RLC BranchR为0L不启用C为100e-9。励磁电感可以再放一个Series RLC BranchR为0L为200e-6并联在变压器原边两端。需要注意Series RLC Branch中不用的元件要设置成inf或0。实际操作中把Series RLC Branch的Branch type设为L它就只有电感参数有效。4.3 变压器与整流滤波变压器使用Ideal Transformer模块路径在Simscape Electrical Specialized Power Systems Fundamentals Blocks Elements。参数中需要设置原边和副边绕组匝数比。本文模型设置为16:1即原边绕组16副边绕组1。Ideal Transformer只有变比关系不含漏感和磁化电感。前面已经在外部并联了Lm所以这种简化方式既能保留主要特性又不涉及复杂的变压器标幺参数计算很适合教学演示。变压器副边接四个二极管全桥整流。四个二极管从Power Electronics库中选取连接成标准单相全桥整流电路。整流桥正输出端接输出电容正端和负载电阻上端整流桥负输出端接输出电容负端和负载电阻下端。输出电容使用一个Parallel RLC BranchBranch type设为C电容值470uF。负载电阻使用另一个Parallel RLC BranchBranch type设为R电阻值0.3Ω。如果整流后输出电压为负数把变压器副边两个端子交换即可这是同名端方向问题。4.4 测量与示波器配置为了观察关键波形需要放置多个测量模块。Voltage Measurement和Current Measurement都位于Measurements库中。需要测量的信号包括输入直流电压Vin并联在直流源两端。Q1的漏源电压Vds_Q1并联在Q1的D和S之间。谐振电流iLr串联在Lr支路中。谐振电容电压vCr并联在Cr两端。变压器原边电压vp并联在变压器原边绕组两端。输出电压Vout并联在负载两端。副边整流二极管D1的电流串联在对应二极管支路中。每个测量模块的输出接到Scope。建议分成三个Scope第一个Scope看驱动和Vds第二个Scope看谐振电流、谐振电容电压、变压器原边电压第三个Scope看输出电压和二极管电流。分开观察比全部塞进一个Scope更容易定位问题。5. 模型参数设置与求解器配置5.1 关键模块参数模块放置完成后需要逐项确认参数。下面把容易出错的几个模块列出来。DC Voltage Source的Amplitude设为400V它可以看作理想电压源内阻为0。MOSFET的参数可以保留默认但需要确认开关管逻辑为高电平导通。Pulse Generator输出的15V信号接g端口当驱动为15V时开关管导通为0时关断。仿真中所有开关管共用一个地但在实际硬件电路中上管的栅极驱动必须隔离或自举。Ideal Transformer的变比设置方法不同版本略有不同一般直接在Winding ratio中输入primary/secondary。如果参数是Primary winding 16Secondary winding 1那就是16:1。副边绕组中心抽头在本模型中不涉及副边使用两个端子即可。5.2 求解器设置Simulink中的求解器设置对电力电子仿真影响非常大。开关管动作时电路拓扑发生切换如果求解器不合适很容易出现不收敛或者波形毛刺。打开模型配置参数在Solver选项卡中Solver选择Variable-stepSolver选择ode23tb。ode23tb适用于刚性电路问题开关电源仿真中使用较多。相对容差设为1e-4最大步长设为1e-7这样在100kHz开关频率下每个开关周期内约有100个采样点波形足够平滑。最大步长不能设置得太大。如果设为默认的auto开关瞬间可能被跨过去波形看起来就会有明显的高频振荡或者时间轴上的跳变。电源仿真中最大步长一般控制在开关周期的百分之一左右。同时模型中必须有powergui模块。powergui位于Simscape Electrical Specialized Power Systems中直接拖入模型任意位置保持默认参数即可。如果遗漏powergui模型运行时会出现明显的报错提示。6. 开环仿真运行与关键波形分析6.1 运行步骤所有模块连接完成后保存模型在仿真选项卡中设置Stop Time为0.002s即2ms。以100kHz开关频率计算2ms内包含200个开关周期输出电容充电和启动暂态已经可以稳定足够观察完整波形。点击Run按钮运行仿真。仿真过程可能需要几十秒到几分钟具体取决于电脑性能和求解器设置。运行完成后打开三个Scope查看波形。如果仿真报错首先检查powergui是否缺失其次检查是否有模块未连接。模型中的每个测量模块必须连接有效信号未连接的Scope输入会导致仿真报错。6.2 波形一驱动信号与MOSFET漏源电压第一个Scope中可以看到两路驱动波形。Q1Q4的驱动为高电平时Q2Q3驱动为低电平两组信号之间有明显的时间间隔这就是死区。死区时间约0.2us比开关周期10us小很多从波形上能看到一组下降沿和另一组上升沿之间存在间隙。判断ZVS的关键在于同时看Q1的Vds和Q1的驱动信号。Q1关断后Vds会先从0上升然后在死区时间内谐振电流给Q1输出电容充电、给Q2输出电容放电Vds达到母线电压附近。等到下一周期Q1的驱动信号变为高电平时如果Vds已经降到接近0V说明电流已经通过Q1的体二极管续流此时开通就是ZVS。如果驱动变高时Vds仍然很高就说明硬开通了损耗会明显增大。在本文参数下开关频率100kHz与谐振频率接近原边应工作于感性ZVS区。Scope中会看到Vds的下降沿出现在驱动上升沿之前这是ZVS已经建立了。6.3 波形二谐振电流与谐振电容电压第二个Scope中的谐振电流iLr是LLC辨识度最高的波形。在正常工作状态下iLr呈良好正弦形状正负对称。电流峰值大约