MATLAB与PSIM：全桥/半桥LLC谐振DC/DC变换器的设计与仿真之旅
MATLAB、PSIM全桥或者半桥LLC谐振DC/DC变换器的设计与仿真，内含开环仿真、电压闭环仿真两个仿真文件，并含有电路参数仿真计算过程。 ，支持版本2018b
在电力电子领域，LLC谐振DC/DC变换器因其高效、低电磁干扰等特性，成为众多工程师研究和应用的热门对象。今天咱们就来聊聊如何基于MATLAB和PSIM对全桥或者半桥LLC谐振DC/DC变换器进行设计与仿真，还会涉及开环和电压闭环仿真，顺便把电路参数仿真计算过程也给大家剖析剖析，而且都是基于2018b版本哦。
LLC谐振DC/DC变换器原理简介
LLC谐振变换器主要由一个电感Lr、一个励磁电感Lm和一个电容Cr组成谐振网络。它利用谐振现象，使开关管在零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）条件下工作，大大降低了开关损耗，提高了变换器的效率。
电路参数仿真计算过程
咱们以一个简单的设计需求为例，假设输入电压 Vin = 400V，输出电压 Vout = 12V，输出功率 Po = 100W 。
- 确定开关频率
一般情况下，我们会根据应用场景选择一个合适的开关频率 fs ，这里假设选择 fs = 100kHz 。
- 计算谐振电感 Lr
根据经验公式 $Lr = \frac{Vin^2}{8 \times Po \times fs}$，代入数值可得：
Vin = 400; Po = 100; fs = 100e3; Lr = Vin^2 / (8 * Po * fs); disp(['谐振电感 Lr = ', num2str(Lr),'H'])这段MATLAB代码很简单，就是按照公式进行计算，最后显示出谐振电感的值。通过这个计算，我们就初步确定了谐振电感的大小。
- 计算谐振电容 Cr
$Cr = \frac{1}{(2 \times \pi \times fs)^2 \times Lr}$
Cr = 1 / ((2 * pi * fs)^2 * Lr); disp(['谐振电容 Cr = ', num2str(Cr),'F'])同理，这段代码计算出了谐振电容的值。
- 励磁电感 Lm 的选择
励磁电感 Lm 通常需要根据变换器的性能要求和实际情况进行选择，一般来说，Lm 要远大于 Lr ，假设这里选择 Lm = 10 * Lr 。
MATLAB 开环仿真
在MATLAB中，我们可以利用Simulink搭建开环仿真模型。
首先，从Simulink库中拖入电源模块、LLC谐振网络模块、整流滤波模块等。这里简单说下，电源模块设置为我们之前计算好的输入电压400V ，谐振网络模块按照前面计算的 Lr、Cr、Lm 参数进行设置。
以下是一个简单的MATLAB脚本用于初始化一些参数并显示在命令窗口，方便在仿真中使用：
% 初始化参数 Vin = 400; Vout_desired = 12; Po = 100; fs = 100e3; Lr = Vin^2 / (8 * Po * fs); Cr = 1 / ((2 * pi * fs)^2 * Lr); Lm = 10 * Lr; disp(['输入电压 Vin = ', num2str(Vin),'V']) disp(['输出期望电压 Vout_desired = ', num2str(Vout_desired),'V']) disp(['输出功率 Po = ', num2str(Po),'W']) disp(['开关频率 fs = ', num2str(fs),'Hz']) disp(['谐振电感 Lr = ', num2str(Lr),'H']) disp(['谐振电容 Cr = ', num2str(Cr),'F']) disp(['励磁电感 Lm = ', num2str(Lm),'H'])运行仿真后，我们可以观察到输出电压的波形。通过分析这个波形，我们能了解变换器在开环情况下的输出特性，比如输出电压是否稳定在我们期望的值附近，是否有较大的纹波等等。
PSIM电压闭环仿真
在PSIM中搭建电压闭环仿真模型相对复杂一些，但功能也更强大。
先搭建与MATLAB开环类似的主电路，包括电源、LLC谐振网络、整流滤波。然后添加电压反馈回路，这里会用到一些控制模块，比如PI控制器。PI控制器的作用是根据输出电压与我们设定的目标输出电压（12V）的误差，调整PWM信号的占空比，从而稳定输出电压。
在PSIM中设置参数也很关键，各个元件的参数要与前面计算的值一致。比如在设置电感电容元件时，直接填入之前计算得到的 Lr、Cr、Lm 值。
代码相关
虽然PSIM不像MATLAB那样以代码为主，但也可以通过脚本语言进行一些自动化操作。例如，我们可以编写一个简单的脚本用于设置多个元件的参数，这样可以提高效率，避免手动逐个设置的繁琐。
; 设置谐振电感参数 setparam /inductor[1] value = [Lr_value] ; 设置谐振电容参数 setparam /capacitor[1] value = [Cr_value] ; 设置励磁电感参数 setparam /inductor[2] value = [Lm_value]这里的 [Lrvalue]、[Crvalue]、[Lm_value] 就是前面计算好的值，通过这种方式，我们就可以方便地在PSIM中设置元件参数。
运行电压闭环仿真后，我们可以看到输出电压能够快速稳定在12V ，纹波也被控制在很小的范围内，这就是电压闭环控制的魅力所在。与开环仿真相比，闭环仿真能够更好地应对负载变化等情况，保证输出电压的稳定性。
通过MATLAB和PSIM对全桥或者半桥LLC谐振DC/DC变换器的设计与仿真，我们从理论计算到实际模型搭建，深入了解了这种变换器的工作特性。无论是开环仿真还是电压闭环仿真，都为我们在实际工程应用中优化设计提供了有力的工具和方法。希望大家也能动手试试，在电力电子的世界里探索更多有趣的内容。