基于Saber的双向LLC全桥DC/DC电路仿真分析

张前进，程鹏飞，杨兆华

（佛山科学技术学院自动化学院，广东佛山528225）

传统化石能源的使用对环境造成了极大的污染，新能源的发展显得越来越重要。双向DC/DC变换器作为能量转换的关键环节，被广泛应用于新能源领域中，提高双向DC/DC变换器的效率对新能源的发展显得尤为重要。随着更高的功率密度要求和高效DC/DC变换器的需求，更高的开关频率和高效的变换器不断被提出。谐振型变换器由于其高效性、高开关频率以及高功率密度而被广泛关注。双向LLC全桥DC/DC电路经常使用在中大功率场合，双向LLC变换器可以实现ZVS和ZCS，减少开关损耗，提高效率。本文针对双向LLC全桥DC/DC电路，采用了Saber对其进行仿真研究，验证双向LLC实现软开关的情况。

1 双向LLC谐振变换器结构与工作原理

1.1 双向LLC谐振变换器结构

双向LLC谐振变换器的结构如图1所示，其主要参数Cr1=256.7 nF，Cr2=1.026 μF，Lr=13.73 μH，Lm=109.84 μH，变压器的变比 n=1.25。

图1 双向LLC谐振变换器结构

由图 1 可知，变换器原边由开关（S1、S2、S3、S4）二极管（D1、D2、D3、D4）、电容（C1、C2、C3、C4），变压器初次侧励磁电感Lm、变压器原边漏感Lr和谐振电容Cr1组成。副边由开关（S5、S6、S7、S8）、二极管（D5、D6、D7、D8）、电容（C5、C6、C7、C8）组成。其中开关（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8）代替 MOSFET 的开关，二极管（D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8）为 MOSFET 的内部寄生二极管、电容（C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8）为 MOSFET 的 Coss。

1.2 双向LLC谐振变换器工作原理

变换器正向运行时，能量从电源端流向负载端，驱动信号vpulse1和vpulse2工作，驱动开关（S1、S2、S3、S4）开通与关断；驱动信号 vpulse3 和 vpulse4 不工作，不驱动开关（S5，S6，S7，S8）开通与关断，原边工作在全桥逆变状态，副边工作在全桥整流状态。

变换器反向运行时，能量从负载端回馈至电源端，驱动信号vpulse3和vpulse4工作，驱动开关（S5、S6、S7、S8）开通与关断；驱动信号 vpulse1 和 vpulse2 不工作，不驱动开关（S1、S2、S3、S4）开通与关断，副边工作在全桥逆变状态，原边工作在全桥整流状态。

2 双向LLC谐振变换器直流增益曲线分析

双向LLC谐振变换器直流增益G的变化曲线如图2所示。

图2 双向LLC谐振变换器直流增益G曲线

由图2可以得出以下结论。

（1）当Q固定时，直流增益G随着c的增大，先增大达到一个峰值后，再逐渐下降最终趋于平缓。在上升阶段曲线斜率逐渐增大，在下降阶段曲线斜率的绝对值逐渐减小。

（2）当c固定时，直流增益曲线随着Q的增大，其峰值逐渐减小，且峰值所对应的c在逐渐增大，同时曲线峰值两侧斜率的绝对值均在减小，即曲线趋于平缓。

（3）不论Q值如何变化，所有直流增益曲线均会经过l点，该点所对应的c为fs=fr，此时G=1，直流增益与负载无关。

（4）随着Q值的逐渐减小，直流增益曲线的峰值在逐渐增大，对应的c在逐渐减小。

3 双向LLC电路工作频率计算

满载输出最大直流增益所对应的最小开关频率fsmin为

当变换器空载时，直流增益曲线变得陡峭为稳定输出电压Vo，开关频率增大，此时的开关频率为最大值fsmax，通过计算得

4 基于Saber仿真各频率区间的仿真分析

（1）当fs

图3 fs

（2）当fmin

图4 fmin

（3）当fs=fmax时，即fs=100 kHz时仿真结果如图5所示。当开关两端电压为400 V时开关处于关断状态，当开关两端电压为0 V处于导通状态，由400 V向0 V转变，开关状态处于关断向导通转变。当t=0.081 82 s时开关S1状态由关断转向导通，位于n_361-out下方i（m）为开关S1并联电容C1放电，位于n_in-n-352处i（p）在开关S1开通期间一直有电流，二极管D1将开关两端电压钳位，开关S1实现软开关，验证开关软开通（ZVS）。位于n_361-out上方的i（p）为流过二极管D6的电流，n_361-out为开关S6两端电压。当t=0.081 825 s时，位于n_361-out上方的i（p）几乎为0 A，n_361-out为-10.562 V，实现零电流关断（ZCS）。即图1电路在逆变侧开关实现软开通（ZVS），同时在整流侧实现软开通（ZCS）。

图5 fs=100 kHz时仿真结果

（4）当fs>fmax时，任取fs=125 kHz时仿真结果如图6所示。当开关两端电压为400 V时开关处于关断状态，当开关两端电压为0 V处于导通状态，由400 V向0 V转变，开关状态处于关断向导通转变。当t=0.080 088 s时，开关S1状态由关断转向导通，位于n_361-out下方i（m）为开关S1并联电容C1放电，位于n_in-n-352上方的i（p）在开关S1开通期间，一直有电流，二极管D1将开关两端电压钳位，开关S1实现软开关，验证开关软开通（ZVS）。当t=0.080 092 s时，位于n_361-out上方的i（p）电流几乎为0 A，n_361-out为0.701 21 V，实现零电流关断（ZCS）。表明图1电路在逆变侧开关实现软开通（ZVS），同时在整流侧实现软开通（ZCS）。

图6 fs>fmax时仿真结果

5 小结

基于Saber仿真软件，本文对双向LLC全桥DC/DC变换器电路在不同频率条件下进行仿真分析，以双向LLC全桥DC/DC变换器的正向运行模式为例，当fsfmax均可以实现逆变侧实现软开关（ZSV），整流侧实现软开关（ZCS）。双向LLC全桥DC/DC变换器的反向运行模式分析方法与正向运行模式分析方法一致。Saber仿真波形所得结果与理论分析相符，论证了其正确性。