世纪电源网社区logo
社区
Datasheet
标题
返回顶部
讨论

【文原创】三电平ZVS半桥的控制模型与仿真

[复制链接]
查看: 7345 |回复: 16
1
maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 19:30:00
/*** 支持论坛活动:   如果对LLC的闭环仿真有兴趣的,可以看我的这个帖子:
   PSPICE环境下的LLC闭环仿真建模 :
http://bbs.21dianyuan.com/thread-225456-1-1.html

   如果对 临界模式PFC和连续模式PFC的建模和仿真有兴趣的,可以看我的这个帖子:
   临界模式PFC和连续模式PFC的建模和仿真的闭环仿真  http://bbs.21dianyuan.com/thread-226413-1-1.html


   如果对移相全桥控制和仿真感兴趣,就看
http://bbs.21dianyuan.com/thread-226811-1-1.html

   如果对传统PWM控制器的的控制和仿真有兴趣,就看:
http://bbs.21dianyuan.com/thread-233455-1-1.html  


  备注:该系列的仿真都是在 OrCad Capture PSPICE 16.6环境。

**************/  备注:仿真文件已经上传。
  前言:
  三电平的结构能钳位管子两端电压的优点,其实现的原理,已经在昨天发出的《三电平半桥LLC的控制模型与仿真》一文中讲的清楚。LLC是的调频控制增益,原边ZVS和副边ZCS,对于输出较高电压的应用,如53.5V//60A(输出电流相对较小),具有好的优势的。但是若是需要做低压大电流,如12V/200A这样,我想移相全桥控制可能会更好一些,毕竟副边能倍流整流。

   关于移相和LLC的优缺点,我想大家都非常清楚。我这里就不继续讨论,下文要讲的就是。如何用移相控制方法来实现三电平半桥的MOS实现ZVS工作。下图是三电平半桥的功率级结构,根据三电平结构的开关时序要求。M1和M4要早于M2和M3关闭。在三电平结构的LLC的控制中,为了实现驱动实现的要求,我设计了延迟电路。能实现,当M1关闭后,延时300ns后关闭M2,同时这个300ns时间可调。
   421.png
(图1 三电平ZVS半桥功率级 )
  如果要用移相方法来控制,这种控制方法会发出互补对称的超前桥驱动和互补对称的滞后桥驱动(插入了一定的死区时间)。通过调整全桥对角互补管子的驱动重叠时间,达到控制副边滤波电感上的电压占空比,实现对输出电压的控制。这种控制方法,简直与生俱来的就是为了控制三电平半桥结构的。我们让M1和M4作为超前管,控制信号会让超前管先关闭。钳位二极管D2和D3钳位管子中点(MOS_HALF_A和MOS_HALF_B)的电压为VIN/2。然后控制电路将滞后管M2和M3关闭,实现调整占空比对输出电压控制。与此同时完美的确保了驱动要求的时序,通过合理的死区时间和谐振电感,还能实现软开关工作。
   写到这里,读者应该对普通移相全桥控制原理的有所了解(可参见TI出的UCC3895的应用文档)。在下文我只是简单的介绍,移相控制方法在三电平半桥的的工作流程。并不做非常详细的时序介绍,也不做每个时序的工作状态解释。

第一部分 移相控制方法的三电平半桥工作流程
  1、当M1和M2同时导通,原边电流Ip从(800V ~ CAP_HB)电压源流过M1和M2,流过谐振电感和变压器返回电容半桥中点(CAP_HB),(800V ~ CAP_HB)  >  M1&M2>  LR >  TAN  >  CAP_HB。此时原边向副边传递电流,副边整流二极管D1导通,有(VIN/2 *n)的电压加到滤波电感L2上,电感电流线性上升。同时也向负载和输出电容传递电流。根据峰值电流的控制原理,当原边电流的峰值达到反馈给定值后关闭M1。
422.png
(图2 超前管关闭时的波形)
  2、  然后此时超前管M1关闭,原边电流会受副边电感电流的钳位,其方向会保持不变。M1关闭后,必然会找
一个路径来续流。电流将从M2 > LR > TAN > (C7 & D2),这个路径流动。钳位二极管在超前管M1关闭后,成为原边电流的续流路径。随后M2关闭。超前管M4,会在M1关闭后开启。由于电容C7的存在,使超前管在寻找续流路径时,能通过C7将M4管子上的Coss电容放电,能让M4实现ZVS。
423.png
(图3 可以看到当超前驱动DRVC关闭后,C7流过了较大的电流,然后(MOS_HALF_B)电压被拉低到0V,随后DRVD驱动M4开通)
425.png
(图4 流过钳位二极管和变压器的电流)

  3、  由于M2断开后,副边电感电流对原边电流的钳位作用消失。能否实现M3的零电压开关,就要看谐振电感Lr能否将M2和M3两个管子上的Coss中的电荷带走,让(MOS_HALF)的电压从VIN/2下降到零。并且在死区时间内,该节点的电压不能再次上次到高于0V,否则会失去ZVS的条件。关于谐振电感、占空比丢失、死区时间的计算和选择问题,可以参见我之前发的文章《在移相全桥的原边MOS上并联电容的意义与思考》,这里就不在累述。
  4、  当谐振电感将(MOS_HALF)的电压拉低到0V后(为什么是零?因为M4作为超前管已经处于导通状态了。)M3的ZVS条件达成,然后M3开通。此时由(CAP_HB ~ GND)的电压为变压器提供电流,此时的工作状态与之前M1和M2开通时,电压方向相反。在反向电压作用下,谐振电感的电流反向,但是谐振电感作为感抗的存在,会阻碍换向时的电流变化率。而且只有变压器的原边电流高于副边电流的折算值后,才能让D4重新导通,原边开始向副边传递电流。从M3导通到副边电感上产生方波电压,这段时间称为占空比丢失时间(Dloss)。
5、  电流从(CAP_HB~GND)>TAN>LR>M3&M4这个路径,开始线性上升,随着电流传感器送到控制电路的电流取样值高于误差放大器给定值后,M4会关闭。M4关闭后,D3二极管迅速将其两端电压钳位到VIN/2,保证了其电压应力在安全范围之内。在同时,超前管M1在M4关闭后,再延迟死区时间后也会开启。由于M1受D2钳位,M1两端电压会控制在VIN/2。
  
  6、  由于副边电感的作用,此时原边电流方向保持不变。电流将CAP_HB>TAN>LR>M3>D3>CAP_HB,这个路径流动。此时D3会流过电流,工作状态和之前的超前管M1关闭后的情况一致。而且C7也会流过电流,为M1的ZVS创造条件。通过C7流过的电流,将M1的Coss电容充电,M1则能实现ZVS。
426.png
(图5 可以看到当超前驱动DRVD关闭后,C7流过了较大的电流,然后(MOS_HALF_A)电压被拉低到0V,随后DRVC驱动M1开通)

  7、  随着开关周期的结束,M3会关闭。谐振电感电流会对(MOS_HB)节点充电,从M3到M2开通之间的死区、谐振电感、Coss电容决定了M2能否ZVS。然后M2开通,由于之前M1已经处于状态状态。所以将有从(800V~CAP_HB)>M1&M2>LR>TAN>CAP_HB的路径流过电流,这个状态又回到了第一个状态。上文,将一个周期的工作过程简单的介绍了一遍。
427.png
(图6 流过钳位二极管和变压器的电流、驱动信号)

本帖最后由 maileyang 于 2015-11-16 22:43 编辑

评分

参与人数 1财富 +10收起理由
心囚蓝魔 + 10很给力!这么好的学习资料,顶起来!.

查看全部评分

maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 19:31:47
 
第二部分 控制模型的建立
   控制电路参见我之前的文章《移相全桥的控制模型的建立和仿真》,只是驱动电路和普通全桥有所不同。将M1和M4连接到超前驱动信号,M2和M3连接到滞后驱动信号。模型采用峰值电流控制模式,电流采集流过变压器的电流。然后用误差放大器的去控制去电流。模型采用了层次化的原理图,方便观察和调试。在需要修改时,进入子电路进行修改。在主电路,能看到的只是一个模块,便于观察和思考。
428.png
(图7 三电平ZVS 仿真模型)

  下面简单的介绍,Orcad // Captrue里面的层次化电路功能。点击Place > Hierarchical Block。得到下图:

429.png
  (图8 子电路的创建)
然后得到一个方框:
4210.png
(图9 子电路的创建)
  再选择这个方框时候点击Place > Hierarchical pin,添加引脚。然后双击该模块,就会进入该模块的层次原理图。比如我建好的这个:
4211.png
  (图10 子电路的创建)
   双击就可以进入其层次化原理图模块,可以看到一大堆控制电路,略显蛋疼。
4222.png
(图10 移相控制的驱动和死区时间控制电路)

本帖最后由 maileyang 于 2015-11-16 19:41 编辑

maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 19:34:34
 
第三部分 控制模型的动态性能测试
仿真0~20ms的上电波形:
4223.png
展开细节:
V(Vout) 是输出电压
V(VREC) 是副边滤波电感上的电压波形
I(L1)/10 是副边滤波电感上的电流波形,为了便于观察对其除以了10。
V(MOS_HLAF)/100 是原边MOS中间点的电压,便于观察对其除以了100。
I(L2) 是谐振电感的电流波形,亦为流过原边变压器的电流。
V(GAIN1:OUT) 是PS控制电路的PWM比较器同向输入电压,由误差放大器给定。
V(C6:2) 是PS控制电路,PWM比较器的反向输入电压,代表峰值电流。

4224.png
峰值电流模式的动态性能测试,10~100A  10ms 切换一次。
4225.png
展开细节:
4226.png

仿真原理图: hb_threelevel_test_v1.pdf (115.42 KB, 下载次数: 813)
maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 19:45:41
 
三电平半桥LLC的控制模型与仿真


前言:

  在有些应用场合母线电压高达800V,如果使用全桥拓扑,需要1000V耐压的管子。而这些超高耐压的MOSFET价格和性能都不如500V耐压的管子好(性价比)。所以三电平技术应运而生了,使用两个二极管和两个电容,将管子上的电压钳位到VIN/2(800/2=400),然后就能使用500V耐压的MOS。所以,三电平技术在高压应用领域是非常必要的。而LLC谐振拓扑,能实现原边ZVS,副边ZCS。双软开关能带来高效率和低噪音,同样也是非常优秀的性能。如果,将两者的优势结合起来,就皆大欢喜了。下面是就针对这个拓扑的控制模型和仿真。
  首先是三电平半桥的结构图,每个MOSFET内部都有体二极管,这里只是为了更加便于读图,所以又在图中并了一个二极管。假设两个电容串联,其中间点的电压为稳定的VIN/2。那么其工作可以这样去看,当M1和M2同时导通时,电流从中间点AAA流到电容半桥中点,其输出电压为VIN/2。当M1关断后,钳位二极管D5导通,将M1两端电压钳位在VIN/2处。然后M2关断,假设是硬开关,那么电路中存在的寄生参数会将M2的VDS电压提升到高于VIN/2。对于M3和M4来说,其道理一致。必须要让M4先关闭,使D6为M4两端钳位到VIN/2。然后M3关闭,M3两端电压可能高于VIN/2。也就是说,加了两个钳位二极管,只能控制M1和M4的电压应力。而M2和M3,则控制不了。而且,M1和M4是先于M2和M3关闭,否则就不能实现电压钳位了。当然还有飞跨电容的接法,这里就先不谈及。
123.png
  下图是三电平LLC的主功率结构图,变压器的输入电压为VIN/2,计算谐振参数和匝比等同于一个400V输入的LLC算法。图纸的参数是一个谐振频率53.5V//60A的参数,下面将对其进行仿真。
1.png
(图1  三电平半桥 LLC 功率级)
  先是一个启机上电波形:
QQ截图20151114180244.png
(图2  启机波形)
然后是展开细节:
V(M3:D)      是M3的漏极对GND的电压
V(MOS_HALF_B) 是低端MOS的半桥中点电压
V(MOS_HALF_A)是高端MOS的半桥中点电压
V(MASTER_A)   是高端MOS的主驱动,亦为M1的驱动。此驱动要先于M2的关闭。
V(SLAVE_A)     是高端MOS的从驱动,亦为M2的驱动
V(MASTER_B)   是低端MOS的主驱动,亦为M4的驱动。此驱动要先于M3的关闭。
V(SLAVE_B)     是低端MOS的从驱动,亦为M3的驱动
2.png
  (图3  启机波形)

   第一部分 :基本工作流程
  从波形中可以看到,高低端管子的中间电压被很好的钳位。原边四个管子都实现了ZVS,也钳位了两端耐压。设有这么一个工作状况,当M1的驱动(MASTER_A)关闭后,此时M2还处于开通状态。同时谐振电流保持方向不变,电流将从D1>M2>谐振电感流动。此时高低端管子的中间(M3:D)的电压被钳位到400V。由上图,可以看到在(M3)电压波形在M2管子驱动信号(SLAVE_A)还未关闭时,电压被钳位到400V。
然后,M2管子(SLAVE_A)关闭。谐振电流的方向不发生改变。谐振电感将会带走M2、M3、M4三个管子的Coss电容的电荷,所以可以看到当M2关闭后。高低端管子的中间(M3 _D)的电压从400V被拉到0V。M2关闭到低端管(MASTER_B和SLAVE_B)的开通这段死区时间内,为M3和M4的ZVS工作区域。死区时间可以根据励磁电流和管子的Coss来选择。在此时间内,谐振电流会经过M3和M4的体二极管,从GND拉电流。然后谐振电流的方向会换向。
  低端管M3和M4由于谐振电流的关系,从体二极管流过电流,保证了ZVS开通条件。死区时间结束后,M3和M4同时开通,谐振电流换向。此时电流从主分压电容中点(CAP_HB)流入变压器,然后从谐振电感经过M3和M4返回电容的负(GND)。
当M3和M4的开通时间结束后,M4会先于M3关闭。M4关闭后,D2和其体二极管会将M4两端电压钳位到VIN/2。同时由于谐振电流方向不变,会经过M3和D2流入电容中点(CAP_HB)。D2会在M4关闭到M3关闭这段延迟内,流过电流。高端管的钳位二极管D1工作原理与D2一致,下图是流过钳位二极管的电流。
3.png
(图4  钳位二极管电流与驱动信号)
  M4关闭后,高低端管的中间点(MOS_Half)将会被钳位到400V。然后随着低端管的开通时间结束M3也关闭,谐振电流将对高低端管的中间点(MOS_Half)充电,将M2,M1,M3的Coss电容充电。当电压高于VIN/2时,M2和M1的体二极管导通。为谐振电流提供路径,从M3关闭到M2和M1开通这段时间,就是为高端管实现ZVS的工作时间,通过调整管子的Coss电容和励磁电感可以实现在额定死区时间实现ZVS。然后,就是M1和M2同时开了,谐振电流换向,写到这里一个工作周期也就讲完了。
理几个重点:
   1、钳位二极管会在主从管的关闭延迟内流过电流。
   2、必须要确定M1和M4比M3和M2先关闭,如果不能钳住电压,后果可能就会炸鸡。
   3、ZVS需要的条件(励磁电感、死区时间)和普通LLC的原理一致。
   4、变压器的匝比可以按VIN/2作为变压器的原边输入电压计算。


本帖最后由 maileyang 于 2015-11-16 20:22 编辑

maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 19:47:13
 
第二部分 仿真建模过程:
  首先必须要确保两组开关信号之间的死区时间,然后还要确保主驱动和从驱动之间的延时。当主驱动信号关闭后,从驱动信号需要延迟一个可控的时间后关闭。确保能让D1和D2可靠的钳住管子上的电压应力。对于高低端驱动信号之间的死区时间,我早已在普通LLC的控制模型中完成,那么这里需要实现的就是:如何让主驱动比从驱动先关闭,延迟大约300ns后,从驱动也要关闭。要实现的波形可见下图:
4.png
(图5  主从驱动信号的时序)
如何实现呢?首先将LLC控制器发出的方波插入死区时间,得到DRV_H_SIDE和DRV_L_SIDE,两者时间死区时间为600ns。然后用这两个信号分别产生主从驱动,驱动高低端管子。
5.png
(图6  驱动信号的死区时间)  
    将插入死区时间后的驱动信号分别送到延迟电路,得到主驱动和从驱动信号,其电路可见下图。其原理为:当主驱动关闭后,控制S5导通让恒流源对定时电容充电,当电容上的电压高于设定值后,发出复位信号到SR触发器。SR触发将当前输出拉低,这样就得到了主驱动和从驱动之间的延迟。
6.png
  (图7 驱动信号的死区时间)
驱动电路完善后,就可以进行整体模型的仿真了,将控制电路封装到子电路模块,主电路简洁,明了,易于读图。
  完整的控制模型为:
   7.png
(图8  完整模型)

第三部分 模型性能测试
   前面已经放出了普通上电波形,下面是5A~65A的动态响应测试:
8.png
展开细节:
9.png
本帖最后由 maileyang 于 2015-11-16 20:15 编辑

评分

参与人数 121币 +10收起理由
admin + 10赞一个!

查看全部评分

maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 19:47:43
 
仿真原理图: three_level_half_bridge_llc_tes.pdf (95.37 KB, 下载次数: 889)
wuji122
  • 积分:695
  • |
  • 主题:23
  • |
  • 帖子:240
积分:695
LV6
高级工程师
  • 2016-6-29 14:47:03
  • 倒数8
 
学习了!楼主好强大。
paopaosaisai
  • 积分:147
  • |
  • 主题:0
  • |
  • 帖子:9
积分:147
LV2
本网技师
  • 2018-12-29 20:12:02
  • 倒数2
 
非常感谢
wangdongchun
  • 积分:14160
  • |
  • 主题:33
  • |
  • 帖子:3188
积分:14160
LV10
总工程师
最新回复
  • 2019-3-12 21:41:45
  • 倒数1
 
资料不错  感谢楼主的分享
Naigel
  • Naigel
  • 离线
  • LV3
  • 助理工程师
  • 积分:212
  • |
  • 主题:0
  • |
  • 帖子:6
积分:212
LV3
助理工程师
  • 2016-11-17 21:22:20
  • 倒数6
 
好东西,学习了
另有一点不明白想请教楼主,文中“假设是硬开关,那么电路中存在的寄生参数会将M2的VDS电压提升到高于VIN/2”是什么原理使得M2Vds电压高于400V?
我在做三点平逆变时发现确实辅管电压尖峰高于主管,不知该怎么分析

paopaosaisai
  • 积分:147
  • |
  • 主题:0
  • |
  • 帖子:9
积分:147
LV2
本网技师
  • 2018-12-29 20:10:01
  • 倒数3
 
好东西,谢谢大神
心囚蓝魔
  • 积分:4015
  • |
  • 主题:24
  • |
  • 帖子:1797
积分:4015
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 22:24:12
 
楼主的建模仿真能力和学习劲头让人佩服,好帖子顶起来。
maileyang
  • 积分:2727
  • |
  • 主题:20
  • |
  • 帖子:695
积分:2727
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 22:35:21
  • 倒数10
 
说来惭愧啊,深感自己的不足。还需加强学习,而且论坛大牛遍地走。
总之,大家相互学习,一起讨论。
心囚蓝魔
  • 积分:4015
  • |
  • 主题:24
  • |
  • 帖子:1797
积分:4015
LV8
副总工程师
  • 2015-11-16 23:08:03
  • 倒数9
 
楼主太谦虚了,这种奉献精神,这次不得大奖不合情理呀,帅哥加油
tianyuwei
  • 积分:253
  • |
  • 主题:1
  • |
  • 帖子:12
积分:253
LV3
助理工程师
  • 2016-8-5 09:57:17
  • 倒数7
 
号东西 谢谢楼主无私!
luxiaojian
  • 积分:202
  • |
  • 主题:0
  • |
  • 帖子:2
积分:202
LV3
助理工程师
  • 2017-2-9 09:36:21
  • 倒数5
 
楼主,按照您的方法,安装一样的软件,但是有几个元件的模型找不到,仿真出现问题,方便一起给出来吗?好像是在D盘的ORCAD文件夹里面。
lsw219
  • 积分:124
  • |
  • 主题:2
  • |
  • 帖子:1
积分:124
LV2
本网技师
  • 2017-11-9 16:13:06
  • 倒数4
 
您好,请问这种带二极管钳位的移相半桥三电平电路需要做均压调节吗?
热门技术、经典电源设计资源推荐

世纪电源网总部

地 址:天津市南开区黄河道大通大厦5层

电 话:400-022-5587

传 真:(022)27690960

邮 编:300110

E-mail:21dy#21dianyuan.com(#换成@)

世纪电源网分部

广 东:(0755)28285637 /(13823562357)

北 京:(010)69525295 /(15901552591)

上 海:(021)24200688 /(13585599008)

香 港:HK(852)92121212

China(86)15220029145

网站简介 | 网站帮助 | 意见反馈 | 联系我们 | 广告服务 | 法律声明 | 友情链接 | 清除Cookie | 小黑屋 | 不良信息举报

Copyright 2008-2019 21dianyuan.com All Rights Reserved    备案许可证号为:津ICP备10002348