2kW 单向 Boost PFC + 全桥 LLC 串联谐振开关电源的 Matlab/Simulink 仿真探索

单向Boost PFC+全桥LLC串联谐振开关电源Matlab/simulink仿真模型 2kw功率，输出48V，谐振频率100k LLC使用输出电压闭环/PFM控制

最近在研究开关电源的小伙伴们，一定对功率因数校正（PFC）和 LLC 谐振变换器不陌生。今天就来和大家聊聊如何搭建一个 2kW 功率，输出 48V，谐振频率为 100k 的单向 Boost PFC + 全桥 LLC 串联谐振开关电源的 Matlab/Simulink 仿真模型，并且 LLC 采用输出电压闭环/PFM 控制哦。

一、整体架构思路

首先，我们的模型由两大部分组成：单向 Boost PFC 部分和全桥 LLC 串联谐振部分。Boost PFC 负责将输入的交流电进行功率因数校正，使得输入电流能够很好地跟踪输入电压，提高电能利用效率。而全桥 LLC 串联谐振则是将经过 PFC 处理后的直流电压进一步转换为我们需要的 48V 直流输出。

二、单向 Boost PFC 部分

1. 原理简介

Boost PFC 通过控制开关管的导通与关断，调节电感电流，从而实现功率因数校正。简单来说，当开关管导通时，电感存储能量；开关管关断时，电感将能量释放给负载和电容。

2. 代码实现（Matlab/Simulink 伪代码示意）

% 定义一些参数 Vin = 220; % 输入交流电压有效值 L = 1e - 3; % 电感值 C = 100e - 6; % 电容值 fs = 50e3; % 开关频率 dutyCycle = 0.5; % 初始占空比 % 这里其实在 Simulink 里是通过模块搭建，并非实际代码计算 % 不过从原理上，我们可以通过类似如下方式计算电感电流和电容电压 t = 0:1/fs:0.1; iL = zeros(size(t)); vC = zeros(size(t)); for k = 2:length(t) if rand < dutyCycle % 模拟开关管随机导通关断（实际是通过控制算法） iL(k) = iL(k - 1)+(Vin/L)*1/fs; vC(k) = vC(k - 1)-(iL(k - 1)/C)*1/fs; else iL(k) = iL(k - 1)-(vC(k - 1)/L)*1/fs; vC(k) = vC(k - 1)+((iL(k - 1)-loadCurrent)/C)*1/fs; end end

3. 代码分析

上述代码简单模拟了 Boost PFC 中电感电流和电容电压的变化情况。通过一个简单的随机占空比控制（实际应用中会有更复杂的控制算法），在每个开关周期内，根据开关管的导通或关断状态，更新电感电流和电容电压。注意，这只是一个原理性的代码示意，在 Simulink 中，我们会使用各种电力电子模块来搭建实际的 Boost PFC 电路。

三、全桥 LLC 串联谐振部分

1. 原理简介

LLC 串联谐振变换器利用电感和电容的谐振特性，在特定的频率下实现软开关，降低开关损耗。它通过改变开关频率（也就是我们这里采用的 PFM 控制 - 脉冲频率调制）来调节输出电压。当开关频率等于谐振频率（这里是 100k）时，变换器效率较高。

2. 代码实现（Matlab/Simulink 伪代码示意）

% 定义 LLC 参数 f0 = 100e3; % 谐振频率 Lr = 10e - 6; % 谐振电感 Cr = 1/(4*pi^2*f0^2*Lr); % 谐振电容 Ls = 20e - 6; % 励磁电感 Vdc = 400; % 经过 PFC 后的直流输入电压 % 同样在 Simulink 里通过模块搭建，这里从原理上看计算过程 t = 0:1/f0:0.01; omega = 2*pi*f0; iLr = zeros(size(t)); vCr = zeros(size(t)); for k = 2:length(t) % 这里省略复杂的状态方程推导，简单示意电流电压变化 iLr(k)=iLr(k - 1)+(Vdc - vCr(k - 1))/(Lr + Ls)*1/f0; vCr(k)=vCr(k - 1)+(iLr(k - 1)/Cr)*1/f0; end

3. 代码分析

这段代码大致描述了 LLC 串联谐振电路中谐振电感电流和电容电压的变化。基于谐振频率和各个电感电容参数，在每个周期内更新电流和电压值。虽然实际的 LLC 变换器分析要复杂得多，涉及到更多的状态变量和精确的控制算法，但这段代码能帮助理解基本的物理过程。

四、输出电压闭环/PFM 控制

1. 原理简介

对于 LLC 变换器采用输出电压闭环/PFM 控制，就是根据输出电压的反馈值与设定值（48V）的差值，来调节开关频率。如果输出电压低于设定值，就降低开关频率；反之，则提高开关频率，从而稳定输出电压。

2. 代码实现（Matlab/Simulink 伪代码示意）

Vref = 48; % 参考输出电压 Kp = 0.1; % 比例系数 Ki = 0.01; % 积分系数 error = zeros(1000,1); integral = 0; fsw = 100e3; % 初始开关频率 for k = 1:1000 Vout = getOutputVoltage(); % 假设这个函数获取实际输出电压 error(k)=Vref - Vout; integral = integral+error(k); fsw = fsw+Kp*error(k)+Ki*integral; % 这里根据新的开关频率 fsw 去调整 LLC 变换器的开关频率 % 在 Simulink 里通过相应的控制模块实现 end