一种应用于拟合LLC谐振变换器传递函数的扫频法

一种应用于拟合llc谐振变换器传递函数的扫频法
技术领域
1.本发明属于llc谐振变换器的控制器研制领域，尤其涉及一种llc谐振变换器的建模方法。


背景技术：

2.llc谐振变换器通常用于直流变换器领域，它在传统src谐振变换器的基础上添加了一个谐振电感，这使得其电路特性发生了明显的改善，其通过改变开关频率调节谐振腔阻抗进而调节输出电压，不仅解决了传统src谐振变换器的增益只能小于等于一的问题，也能通过谐振实现全负载范围内的软开关。其带有的天生的软开关特性使得llc谐振变换器的高频化有了前提条件，符合电力电子器件高频化发展的未来趋势，具有十分良好的前景和研究价值。同时，谐振环节的引入优化了电压波形，使其经过逆变之后十分接近正弦，减少了大量的谐波分量，这一方面提升了效率，另一方面也减少了对滤波器件的要求，有助于减少成本和器件体积。
3.目前，对于调节llc谐振变换器增益最常用的方法是闭环反馈调频控制(pfm)，其原理为让电压输出参考值和电压输出实际值作差，得到误差值并通过pi环节调节从而得到调整后的频率信号，使得谐振变换器的输出电压接近或等于参考电压。这里对pi环节的参数设计直接决定了系统的响应速度，震荡幅值和稳态性能。可见设置一个合理的pi参数具有重要意义。目前对pi参数的调节一般分为手动调节和根据传递函数解频域和时域方程。其中，手动调节一般依赖于工程经验，并且具有很大的随机性。而根据传递函数解频域和时域方程则可以较为准确地计算出pi的参数设定值。但显而易见，使用这种方法首先要根据系统特性进行建模，并得到传递函数。
4.目前对llc谐振变换器的建模方法分为两种，一种是白箱建模法，这种建模法是通过数学推导的方法从而求得解析表达式，好处在于不管模型参数如何变化，都可以得到传递函数的结构，但缺点则是要进行十分复杂的数学计算，对于谐振变换器，常见的白箱建模法为扩展函数描述法，其小信号模型和状态方程的复杂程度较高。如果开关频率近似等于谐振频率，那么可以用基波等效法(fha)进行建模，其原理为当变换器工作在谐振频率点处附近时，可以近似认为只有基波分量传递到副边，此方法建模较为简便和直接，推导传递函数也相对容易，但缺点则是当谐振变换器的开关频率远离谐振频率时，此方法的建模准确度就会迅速下降，以至于不能准确描述系统特性。第二种建模方法就是黑箱建模法，此类建模方法不关注系统机理，只关注系统的输入输出，根据测试信号得到系统的输入输出关系，从而辨识出系统的数学模型。本发明即为一种基于扫频法的黑箱建模法，其可以在谐振变换器参数已经确定的情况下迅速得到系统的波特图，并拟合传递函数，而不用进行繁杂的数学推导。


技术实现要素：

5.本发明针对求解谐振变换器的传递函数提供了一种基于扫频法的黑箱建模法，本
发明的流程图如图1 所示，并包含以下内容：
6.一种应用于拟合llc谐振变换器传递函数的扫频法，其步骤是：
7.s1:确定输入输出。此建模方法需要在matlab环境下给定输入输出。在这里将开关频率作为输入量，也即控制系统的输入。而将llc谐振变换器的输出电压作为输出量，也即控制系统的输出；
8.s2:确定采样区间。本发明的控制方法基于扫频法，需要确定采样区间，也即确定在多少赫兹到多少赫兹的区间内进行扫频；
9.s3：设置输入信号的正弦波的幅值。在s1中我们将开关频率作为控制系统的输入，根据扫频法的工作原理，我们需要设置频率连续改变的幅值。设置后的输入信号即为以s1的输入为基准，以s3的幅值上下震荡的正弦波；
10.s4：预估传递函数阶数。此建模方法在使用前需要提前预估好传递函数的阶数，这一步可以凭借工程经验或者尝试得到，若拟合率过低，则需重新预估阶数，以期得到较高的拟合率。
11.采样取点时通过使用logspace函数实现等距离对数空间取点，此函数可以同时设置采样区间和采样点的个数，并进行等距离采样取点，有助于提高波特图的直观性以及拟合函数的准确性；
12.同时使用frestimate函数进行波特图的绘制，并使用tfest函数基于波特图拟合传递函数；
13.tfest函数的输入值为先前frestimate函数得到的频域数据以及预先估计好的传递函数阶数。
14.原边为半桥llc谐振变换器，副边用二极管整流；
15.采用闭环反馈控制，设置参考输出并引入pi调节环节。
16.扫频法的应用即为通过使用一种频率由高到低(或者由低到高)连续变化的输入信号来测试元器件以及整机的阻抗特性和传输特性。在不同的测试系统中输入输出信号自然有所不同，本发明中的设定输入值是工作频率而输出值是输出电压。由于llc谐振变换器的谐振频率可达到千赫兹级，所以对输入信号而设置的信号波动幅值也较高，相对的，如果控制系统是pwm变换器，那么输入值则应为占空比，而输入信号的振幅也应该处于0.01或者0.02这种大小。
附图说明
17.图1基于扫频法的黑箱建模法的设置步骤
18.图2实例仿真的电路图
19.图3实例仿真的结果(扫频过程)
20.图4实例仿真的结果(幅频特性，相频特性，拟合函数)
21.图5拟合后的传递函数及拟合率
具体实施方式
22.为了使本发明的的实际效果更加清楚，以下举一个具体实例来对本发明所提控制方法做进一步详细描述。
23.如图2所示，以一个半桥llc谐振变换器为例，此变换器的主要参数如下：
24.输入电压v
in
＝156v，变换器工作在降压模式，变压器匝比n＝13:1，谐振频率fr＝80khz。谐振电感lr＝35.93μh，谐振电容cr＝53.3nf，励磁电感lm＝183.3μh。等效负载r
eq
＝0.48ω。
25.设定扫频区间为从log
10
200到log
10
80000，在此区间等距离取30个点，扫频后输出结果如图3所示。可见随着时间，频率逐渐上升，周期会变得越来越短，波形变得越来越密集。由此得到的波特图和拟合函数如图4所示，离散的红色点即为llc扫频以后的结果，上面是幅频特性，下面则是相频特性。之后matlab会将这些离散点进行拟合，从而得到传递函数，也就是蓝色的线。同时，matlab将会在输出栏中输出拟合后的传递函数，并显示拟合率。本实例中预先设定传递函数的阶数为3阶，拟合后的传递函数及拟合率如图5所示，可见拟合后的函数为
[0026][0027]
设置为三阶传递函数后拟合率达到了92.13％，这已经是一个相当令人满意的数字。
[0028]
得到传递函数之后，就可以根据此公式列时域和频域方程，从而得到pi补偿器的参数设定值。


技术特征：
1.一种基于扫频法的拟合llc谐振变换器传递函数的建模法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：s1:确定输入输出。此建模方法需要在matlab环境下给定输入输出。在这里将开关频率作为输入量，也即控制系统的输入。而将llc谐振变换器的输出电压作为输出量，也即控制系统的输出；s2:确定采样区间。本发明的控制方法基于扫频法，需要确定采样区间，也即确定在多少赫兹到多少赫兹的区间内进行扫频；s3：设置输入信号的正弦波的幅值。在s1中我们将开关频率作为控制系统的输入，根据扫频法的工作原理，我们需要设置频率连续改变的幅值。设置后的输入信号即为以s1的输入为基准，以s3的幅值上下震荡的正弦波；s4：预估传递函数阶数。此建模方法在使用前需要提前预估好传递函数的阶数，这一步可以凭借工程经验或者尝试得到，若拟合率过低，则需重新预估阶数，以期得到较高的拟合率。2.根据权利要求1所述步骤所对应的控制方法，其特征在于，包括：采样取点时通过使用logspace函数实现等距离对数空间取点，此函数可以同时设置采样区间和采样点的个数，并进行等距离采样取点，有助于提高波特图的直观性以及拟合函数的准确性；同时使用frestimate函数进行波特图的绘制，并使用tfest函数基于波特图拟合传递函数；tfest函数的输入值为先前frestimate函数得到的频域数据以及预先估计好的传递函数阶数。3.根据权利要求2所述控制方法的应用场合具有如下特征，包括：原边为半桥llc谐振变换器，副边用二极管整流；采用闭环反馈控制，设置参考输出并引入pi调节环节。

技术总结
一种应用于拟合LLC谐振变换器传递函数的扫频法。本发明属于LLC谐振变换器的控制器研制领域，尤其涉及一种LLC谐振变换器的建模方法，该方法在Matlab环境下通过使用一种基于扫频法的黑箱建模法，能够在LLC谐振变换器的参数已经确定的情况下快速获得其波特图，使得simulink模块能够基于此波特图来拟合传递函数，从而根据传递函数进行变换器的补偿器的设计。计。计。


技术研发人员：刘赛 尹忠东
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/7/8