案例介绍
谐振DC-DC转换器广泛应用于太阳能光伏、通信服务器、电池充电器、无线充电等领域。具有LLC、CLL、LCC、CLLC和CLLLC谐振回路的谐振转换器因其在宽负载范围内的软开关特性、高峰值效率、高功率密度和低电磁干扰（EMI）特性而受到广泛关注。然而，由于转换器的高非线性、针对宽负载范围条件所需的迭代设计过程，以及转换器装置模型的高阶传递函数，使得闭环控制的谐振转换器的优化设计变得非常困难。
PSIM中的电源设计套件（PSDS）提供了用于分析和优化谐振转换器的精确设计工具。附加软件SmartCtrl提供了闭环分析和控制器设计的设计工具。PSIM的SimCoder模块可以帮助用户自动生成闭环控制器的DSP代码。
本案例旨在逐步指导用户设计谐振元件、设计闭环控制器，并为3.3kW电动汽车车载充电器（OBC）的隔离DC-DC级生成DSP控制代码。
因为篇幅的问题，我们将上述三个步骤分为三篇文章发布，如您需要完整的PDF版本，可在文末留言或写邮件至infor@cnsim.cn获取！
系统规格要求
LLC谐振转换器通常用作电动汽车车载充电器（OBC）的隔离DC-DC级。该OBC的LLC谐振转换器具有以下规格：
Vin_rated = 400V；Vin_min = 390V；Vin_max =410V
Vo_rated = 420V；Vo_min = 300V；Vo_max = 420V
Po_rated = 3300W
f_res = 200 kHz
开环和闭环设计步骤
设计具有合适的闭环控制LLC谐振转换器需要以下步骤：
使用PSDS优化谐振网络参数，以满足品质因数、磁比和频率范围要求。
对设计的LLC谐振转换器电路进行交流分析。
使用SmartCtrl设计闭环控制器。
使用SimCoder模块生成DSP代码。
因为篇幅的原因，在这篇文章中，我们只介绍基于PSIM PSDS设计与优化谐振元件及内环电流环控制器设计与仿真两部分内容，在接下来的II中我们将继续介绍外环电压环控制器的设计与仿真，并将在III中继续介绍将闭环控制谐振电路，使用PSIM的SimCoder模块自动生成代码，并使用TI F2803系列的DSP进行验证。
步骤1：基于PSDS 优化谐振元件
在PSIM中，执行Design Suites >> Power Supply Design Suite，并选择Full-bridge Resonant LLC。文件解压缩后，将显示如下模板电路。
图 1设计套件的谐振 LLC 全桥模板
参数面板位于原理图窗口的左侧，它允许用户输入设计规格，启动稳态求解器工具和设计曲线工具。电路左侧的参数文件存储了 LLC 电路计算出的参数值。
对于此应用，选择额定品质因数Q_rated为0.4和耦合系数K_ind为4，以实现给定线性和负载条件下最优的 LLC 变换器设计以及更窄的频率变化范围。
谐振回路元件的参数Ls、Cs、Lm计算如下：
Ls = (Q_rated*Ro_rated_pri)/(2*pi*f_res) = 21 µH
Cs = 1/(2*pi*f_res*Q_rated*Ro_rated_pri) = 30nF
Lm = K_ind*Ls = 84µH
其中变量 Ro_rated_pri 是参考初级侧的输出电阻的额定值。
为了满足增益要求，需要相对频率因数（K_rel_freq）在0.68到1.45之间变化。LLC功率级设计完成后，需要设计闭环控制器，以使闭环谐振 LLC 转换器能够满足设计目标。
对于OBC应用，闭环 LLC谐振转换器需要在恒压（CV）区域将输出电压调节至420V，并在恒流（CC）区域将输出电流调节至7.8A。用户需要在CC区域检查ZVS和ZCS条件，因为该区域的输出电压可以从 300V 变化到 420V。
步骤2：内环电流环的AC分析
PSIM 中有几种可用的交流扫描模块，分别是AC Sweep模块、AC Sweep（1）模块、AC Sweep（2）模块以及AC Sweep（multi-sine）模块。
在AC Sweep（multi-sine）模块中，激励源由多个频率的信号组成。电路运行至稳态，通过一次时域仿真运行获得频率响应。在本应用说明中，我们将使用AC Sweep（multi-sine）模块。
AC Sweep（multi-sine）模块的参数设置如图2所示：
将起始频率设置为100Hz，终止频率设置为40kHz。
注意：开关频率可以从谐振频率（200kHz）的0.5倍到2倍变化，这意 味着最低开关频率可以低至100kHz。根据奈奎斯特-香农采样定理，将 终止频率设置为最低开关频率的一半。
输入51个数据点，以确保每个十进位有足够的频率点。
将标志（flag）设置为1，以便点在对数刻度上均匀分布。
选择与激励AC正弦源相同的源名称。
应用的AC扰动幅度选择为0.075，为运行相对频率值K_rel_freq=0.75的10%。
将用于AC扫描计算的起始频率循环数设置为1。
将稳态估计时间设置为0.003秒。
图 2 交流扫描（multi-sine）模块的参数设置
步骤2.1：
用于交流分析的电路设置
用于内环电流回路设计的谐振LLC转换器在z域的交流分析设置如图3所示。交流扫描块（AC Sweep）、交流扫描探针（AC Sweep Probe）、交流正弦扰动源（sine perturbation source）、单位延迟模块（Unit Delay）和零阶保持器模块（Zero-Order Hold）被突出显示。
该应用说明文件夹的“simu”子文件夹中可以找到原理图文件“Resonant LLC-ac sweep current loop-(z-domain).psimsch”。
图 3用于内环电流回路设计的谐振LLC转换器在z域的交流扫描设置
由于在谐振LLC转换器中，直流增益会随着开关频率的增加而降低，所以在交流扫描探针前乘以“-1”来补偿直流增益与变化频率之间的反比关系。
需要注意的是，零阶保持器和单位延迟模块的采样频率被选为100kHz，这是由于DSP ADC的实际限制。
当K_rel_freq为0.8时，输出电流I_sec处于离散电流模式（DCM），并含有显著的谐波成分，因此在交流扫描探针前需要连接一个截止频率为20kHz的二阶低通滤波器，如图3中突出显示部分。
步骤2.2：
交流分析结果
在PSIM中运行交流扫描后，幅度和相位图将在Simview中显示，如图4所示。
图 4谐振LLC转换器在z域的幅度和相位图
步骤3：在SmartCtrl中进行内环电流环的控制器设计
SmartCtrl是一款专门用于电力电子应用的通用控制器设计软件。
在这一步中，我们将把在PSIM中生成的交流扫描结果导出到SmartCtrl中进行控制器设计。在SmartCtrl中使用的子步骤如下所述：
步骤3.1：
将交流扫描频率响应数据导出到SmartCtrl
点击SmartCtrl软件按钮（图5），会弹出一个窗口将PSIM的交流扫描结果导出到SmartCtrl。
图 5在PSIM原理图中访问SmartCtrl工具
新弹出的窗口（SmartCtrl Export）如图6所示。SmartCtrl导出窗口提供了选择传递函数类型（红色框中显示）的选项。选择电流传递函数用于内环电流回路设计。定义所需输出电流值和开关频率，如蓝色框中所示。
点击“OK”按钮继续。
图 6从PSIM导出扫描结果到SmartCtrl的窗口
步骤3.2：
自动加载幅值和相位图
一旦我们在SmartCtrl导出窗口中点击“OK”，将会弹出一个新的窗口自动加载由PSIM中的交流扫描生成的幅值和相位图（图7）。
点击“OK”按钮继续。
图 7 输入幅值和相位图到SmartCtrl
步骤3.3：
选择传感器和补偿器
以下弹出窗口提供了选择传感器和补偿器的选项。选择“电流传感器”用于内环电流回路，如图8所示。点击“OK”继续。将电流传感器设置为1，如图9所示。点击“OK”继续。
图 8电流传感器和补偿器选择窗口
图 9 电流传感器增益设置
步骤3.4：
点击“Compensator”选择补偿器
在步骤3.3中显示的同一窗口中点击“Compensator”，选择补偿器的类型。选择PI补偿器，如图10所示。
图 10 选择PI补偿器
步骤3.5：
定义载波波形的峰值和谷值
接下来，会弹出一个新的窗口，用于定义载波的峰值和谷值（图11）。需要注意的是，蓝色突出显示的定义载波峰值和谷值的窗口，仅适用于PWM控制的功率转换器，不适用于频率控制的谐振转换器。它们保留默认值。红色突出显示的电压误差和PI，是仅用于频率控制功率转换器的控制模块。点击“OK”继续。
图 11 定义载波的峰值和谷值
步骤3.6：
用解决方案图（Solution Map）
选择交叉频率和相位裕度（PM）
下一步，会弹出一个解决方案图窗口，显示相位裕度（PM）与交叉频率的关系图，如图12所示。
图 12相位裕度（PM）与交叉频率的解决方案图
使用解决方案图，选择白色区域内的一个点以获得稳定的解决方案。每个稳定的解决方案对应于一个交叉频率和相位裕度（PM）的组合，如图12中红色框所示。点击“OK”按钮，在最终的解决方案窗口中查看系统的性能，包括频率响应和瞬态响应。
步骤3.7：
使用最终解决方案窗口完成设计
最后，我们可以在最终解决方案窗口（图13）中看到我们系统的开环和控制到输出传递函数的幅值和相位图。解决方案窗口还包含瞬态响应和奈奎斯特图。
图 13 SmartCtrl最终解决方案窗口，显示开环和控制到输出传递函数的幅值和相位图
需要注意的是，步骤3.6中的解决方案图窗口将始终存在（蓝框）。PI控制器增益Kp和Ti将根据用户选择的相位裕度（PM）和交叉频率的值进行显示（红框）。
步骤4：在PSIM中验证内环电流环设计
在本步骤中，我们将在PSIM中仿真并验证闭环谐振转换器的性能。原理图文件“Resonant LLC - inner current close loop.psimsch”可在本应用说明文件夹的“simu”子文件夹中找到。控制器设计用于保持7.8A的额定恒定电流，无论负载/线性变化如何，这是该OBC恒定电流（CC）模式的运行要求。我们选择相位裕度（PM）接近62.83度和交叉频率接近9.32kHz。计算得出的Kp值为0.00462，Ti为15微秒，如图13所示。
需要注意的是，增益Kp和Ti的值可以根据更快的动态响应、更快的稳定时间和减少的瞬态振荡的要求在仿真中进一步调整。因此，最终选择的Kp值为0.001，Ti为11微秒。在图14和图15中，仿真结果显示频率从0.54变化到0.82，负载在16毫秒时从50%阶跃变化到100%。从图中我们可以看到保持了恒定的额定7.8A电流，输出电压的从836V变化到418V。
图 14闭环仿真结果（负载在16毫秒时从50%阶跃变化到100%）
图 15闭环仿真结果（负载在16毫秒时从50%阶跃变化到100%）
至此，我们完成了基于PSIM PSDS设计与优化谐振元件及内环电流环控制器设计与仿真两部分内容，因为篇幅的限制，我们会在《3.3 KW 谐振LLC车载充电器的设计和DSP实现（II）》文章中继续介绍外环电压环控制器的设计与仿真，并将在III中继续介绍如何将闭环控制谐振电路，使用PSIM的SimCoder模块自动生成代码，并使用TI F2803系列的DSP进行验证，敬请期待！
