使用行为功率半导体模型来实现高仿真速度之外，PLECS 热域和磁域还有助于 LLC 转换器的设计，并有助于组件尺寸设计和控制参数调整。此外，[1] 中讨论的高保真 MCU 外围模块使工程师能够轻松实现变频 PWM 发生器。本文讨论了变频运行的全桥 LLC 转换器的设计。提供了代表电压控制下转换器操作的仿真结果。还显示了确认半导体器件安全运行的热结果。 PLECS 磁域允许工程师根据所需的饱和点确定转换器的尺寸，并通过仿真验证 BH 曲线上的工作区域。
PLECS 中的 LLC 谐振转换器模型
图 1 显示了在 PLECS 中建模的全桥LLC 谐振转换器。全桥的交流侧通过串联的电感和电容器连接到高频变压器的初级侧。变压器的磁化电感与电感器和电容器一起形成 LLC 谐振等级。变压器的次级侧连接到全波二极管整流器，将交流变压器输出转换为高纹波直流电压，然后经过滤波以提供低纹波直流电压输出。
图 1：LLC 谐振转换器
LLC 转换器的操作和估计开关损耗
LLC 转换器通常在零电压开关 (ZVS) 操作下运行，其中当电流仍在其反并联二极管（例如 D1）中流动时，FET（例如 Q1）导通。因此，只有二极管的正向压降施加到 FET，该压降与直流输入电压相比很小。这导致器件的导通损耗可以忽略不计，并有助于降低总体损耗。在 ZVS 操作期间，FET 在其传导电流的区域关闭。这会导致器件硬开关，产生关断开关损耗，如图 2 所示。
零电压开关方案
图2：零电压开关方案
PLECS 使用理想开关对功率半导体进行建模，并使用查找表计算开关损耗。输入的数据是作为阻断电压、传导电流和结温的函数的能量损耗。在软开关开通事件期间，模拟零开关损耗，而硬开关关断开关损耗则根据电路动态计算为关断能量脉冲。 [2] 中显示，用于模拟开关损耗的查找表方法与硬件测量具有良好的相关性。
在关断和开启期间，每个 FET 的体电容器分别充电和放电。对于 FET（而非反向二极管）在导通期间经历硬开关的电路，存储在体电容器中的电荷会通过 FET 耗散，从而增加开关损耗。只需将这些损耗包含在损耗查找表中，即可在仿真中捕获这些损耗（无需添加与 FET 并联的电容器）。当测量某些工作点的 FET 开关能量损耗以生成损耗查找表时，在损耗测量中包含 FET 体电容器中存储的电荷非常重要。除了消除导通损耗之外，FET 的 ZVS 的一个主要优点是，假设 Q1/Q4 关断和 Q1/Q4 关断之间有足够的消隐时间，则存储在体电容中的能量会被回收到电路中 [3]。 Q2/Q3 导通。因此，在采用 ZVS 的软开关拓扑中，如果损耗查找表中未反映电容元件的影响，则关断损耗可能会被高估 10% 至 20% [4]。
变频调制
通常，为了在仿真中生成 PWM 信号，需要将占空比值与固定频率三角波形进行比较。与真实 MCU 外围模块提供的功能相比，此类简化模型具有固有的局限性。结果，系统模型保真度大大降低，并且对功率控制至关重要的效果可能会丢失或不准确地模拟。在[1]中，我们讨论了高保真外围模块的有效建模。这些模型的一个特点是能够以可变频率操作高保真 PWM 外围模块。频率和占空比作为该外围模块的输入提供。对这些输入进行采样以更新下一个开关周期的 PWM 信号。用户可以在仿真中动态更新频率和占空比，从而有效地实现 LLC 转换器所需的变频调制器。
磁性装置建模
传统上，对于动态电路仿真，磁性器件直接在电域中建模，其中绕组之间的磁耦合通过互感或理想变压器和磁化电感来实现。然而，电气等效电路与磁性元件的物理结构几乎没有相似之处。例如，磁结构中的并联磁通路径通过等效电路中的串联电感进行建模。 PLECS 提供基于磁导电容方法 [5] 的磁建模功能，允许用户构建磁路来直观地表示铁芯几何形状和绕组分配，并包括饱和等非线性效应。在此介绍的 LLC 谐振变换器中，高频变压器模型由两个中腿有气隙的 E 形铁芯组件和三个绕组组成，如图 3 所示。铁芯的几何参数本例中的参数符合 EPCOS 的“E70/33/32”器件规范，而有关饱和效应的材料参数则来自铁氧体 N87 数据表中的 BH 曲线。选择绕组匝数以实现预期的磁化电感。
PLECS 中使用可饱和磁性元件的高频变压器模型
图 3：PLECS 中使用可饱和磁性元件的高频变压器模型
模拟结果
200 VDC 输入连接到全桥的直流侧。转换速率应用于转换器以限制参考电压变化期间输出电压的变化速率。此外，还采用软启动算法来限制启动期间命令电压的变化率。随着输出电压逐渐上升，这反映在启动瞬态上。软启动后，使用电压控制器来控制全桥的开关频率。 20 毫秒后系统达到所需的 300 VDC 输出。热系统的时间常数较小，40 ms后达到稳态。图 4 显示了 LLC 转换器从启动起的瞬态仿真。
LLC 转换器的启动瞬态仿真结果
图 4：LLC 转换器的启动瞬态仿真结果
图 5 显示了瞬态模拟到稳态期间 BH 曲线上磁芯的工作点。工程师可以使用可饱和磁芯组件来调整磁性组件的尺寸，以便在 BH 曲线的所需点运行系统。
可饱和磁芯的工作区域
图 5：可饱和磁芯的工作区域
FET 的 ZVS 允许转换器在降低开关损耗的情况下运行，因为在施加导通选通信号时反并联二极管会传导电流。当流过器件的电流方向变为正方向时，FET 开始导通。这导致零导通开关损耗。当电流流过器件时，FET 会瞬间关断，从而导致硬开关和关断开关损耗。图 6 显示了 Q1 的选通信号和电流。当电流小于零时，反并联二极管导通。图 6 还显示了开关能量损耗。 Q1 导通期间没有因软开关引起的开关损耗，但 0.3 mJ 能量脉冲反映了因硬开关引起的关断损耗。机身电容的储能不包含在该型号的查找表中；因此，如前所述，关断损耗多高估 20%。
显示通过 Q1 和 D1 的电流、FET 选通信号和开关损耗的稳态波形
图 6：稳态波形显示通过 Q1 和 D1 的电流、FET 选通信号和开关损耗
