基于半桥LLC谐振式通信电源的设计

张立新，王旭东，李鑫，姜润泽（.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨50080；.中国人民解放军6546部队，黑龙江哈尔滨5000）



基于半桥LLC谐振式通信电源的设计

张立新1，王旭东1，李鑫1，姜润泽2
（1.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080；
2.中国人民解放军65426部队，黑龙江哈尔滨150001）

摘要：随着4G网络的普及，人们越来越对网络的便捷性产生依赖，这也对通信网络的稳定性和实时性有了更高的要求。通信电源作为通信系统稳定运行的保障，其可靠性也备受行业关注。设计及制作一款基于半桥LLC谐振式通信电源，以供通信设备使用，该通信电源具有两级结构，为APFC+LLC结构。有源功率因数校正电路的拓扑结构采用Boost作为主拓扑，电路工作在CCM模式，使该通信电源能够达到较高的功率因数，并且有效地降低了输入电流谐波的含量。软开关DC/DC变换器采用半桥LLC作为主拓扑，软开关DC/DC变换器主要通过谐振来实现，在半桥或者全桥变换器的基础上加上谐振网络实现零电压开通或者零电流的关断，设计时我们选择半桥LLC谐振变换器，利用适当的谐振电路设计使输出电压稳定。最后制作了功率为360 W的通信电源，经过仿真验证该通讯电源效率很高。

关键词：通信电源；功率因数校正（APFC）；半桥LLC谐振；软开关

本通信电源系统将输入工频50 Hz正弦交流电通过输入EMI及全桥整流电路转换为脉动的直流电。后级功率变换部分采用2级结构：第1级采用APFC电路，采用Boost升压拓扑结构，使其工作在CCM连续工作状态下，满足功率因数达到95%以上的要求，达到国际规范要求；第2级为DC/DC变换电路，采用半桥LLC谐振作为拓扑结构，能够实现变压器原边功率管的零电压开通（ZVS）变压器副边整流二极管的零电流关断（ZCS）。这样可以使开关管工作在软开关状态，提升效率，达到效率所需要求。2级电路及输入都具有保护及专门的控制芯片来满足电源的可靠性要求。半桥LLC谐振式通信电源系统结构见图1。

图1　半桥LLC谐振式通信电源系统结构Fig.1 The system structure of half-bridge LLC resonant type communication type power supply

1　通信电源APFC拓扑结构设计

传统的AC-DC变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了全桥二极管整流输出端直接接大电容滤波器。虽然不可控整流器电路简单可靠，但它们产生的高峰值电流，使输入端电流波形发生严重畸变，使交流电网侧的功率因数下降到0.5～0.65，无功损耗过大，因此必须引入功率因数校正电路。

功率因数校正技术主要包括两种：无源PFC技术和有源PFC技术。由于无源PFC需要大电容以及大电感与其连接，因为其体积很大而且效果不是很好，故本系统采用专门APFC芯片控制的功率因数校正电路作为第1级的拓扑结构。有源APFC采用Boost作为主拓扑结构，采用CCM模式下平均电流控制策略。他的优点是电流环有较高的增益宽度、跟踪误差小、瞬态特性较好、THD（＜5%）和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适应于大功率应用场合，其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化，从而可能会产生低次电流谐波。

本系统采用Unitrode公司生产的APFC专用芯片UC3854。它是开发最早、应用最广泛的芯片，也是该类芯片中的典型产品。其主电路如图2所示，Boost变换器由晶体管Q1、电感L1、二极管D1和输出电容Co组成。可由锯齿波电压发生器的频率fs=1.25/（R14C1）确定开关频率，由图腾柱输出Q2和Q3来控制功率开关管Q1的导通和关断。导通时间从对应时钟脉冲将FF1（触发器1）置位开始。当接于脉宽调制器（PWM）同相输入端的锯齿波比线性电流放大器EA2输出端（3脚）的直流电压高时将FF1复位，这时导通截止。3脚的电压是Rs的电压和R2的电压瞬间差值的正向放大电压。主电路可通过开关管脉宽调制控制导通时间，将桥式整流器输出的正弦半波电压升压为恒定的直流输出电压，这也使输入电网电流波形成为正弦波并与输入电网电压同相位。

图2　UC3854构成的功率因数校正电路框图Fig.2 Power factor correction circuit diagram of UC3854

PFC5脚的输出电流是连续的正向正弦半波，其幅值在任何瞬时都与A点直流电压和输入6脚的电流值成比例。PFC6脚的输入是与整流桥输出的正弦半波电压同相位的正弦半波电流基准。因此，PFC5脚的电压是与整流桥输出的正弦半波电压同相位的连续正弦半波曲线，其幅值与误差运放EA1的输出电压成比例。

在每个正弦半波的所有时刻上，通过使Rs的压降与R2的升压近似相等来使电网电流波形成为正弦波。1个开关周期内Rs的平均电流等于同一周期内的电网输入平均电流。这是因为电网电流等于Q1导通时流过Q1的电流和Q1关断时流过D1的电流的和。因此，当使Rs的压降等于R2的升压时，电网电流波形也是正弦半波且与整流桥输出的电压波形同相位。因为有大电感的Boost变换器工作在连续模式，所以1个开关周期内的纹波电流很小。

在半个周期里，当Rs的压降等于R2的升压时，因为R2的电压波形是平滑的正弦半波，所以流过Rs的电流也是平滑的正弦半波，只有很小的开关频率纹波。很大程度地提高了系统的功率因数。

2　通信电源LLC谐振变换器拓扑结构设计

本文研究的核心是实现通信电源的高效率和稳定性，以满足通信设备要求。只是凭借低损耗低导通压降的功率管来实现是远远不足的，我们要着手于采用更高效的拓扑结构来实现，现在主流的谐振变换器之所以得到重视和研究，是因为在谐振时电流或电压周期性过零，利用这一点实现软开关，可以降低开关损耗，提高功率变换器的效率，故本系统采用LLC谐振变换器作为主功率变换器。

图3所示为本系统功率部分LLC谐振变换器的原理图。对于LLC电路，存在2个谐振频率：

图3　LLC谐振变换器原理图Fig.3 The schematic diagram of LLC resonant converter

为了增加变换器整体效率，还需要兼顾变压器副边整流二极管的功耗。当开关管工作频率fr1＞fs＞fr2时，可以使副边整流二极管工作在ZCS状态，防止其关断时的反向恢复现象，大大增加了整体的效率。

通过图4分析各阶段LLC谐振变换器的工作过程，图5给出了各阶段工作波形图，各阶段工作过程分析如下。

t0＜t＜t1阶段。t0时刻，Q2恰好关断，谐振电流Ir＜0，IDR1=0。Ir流经D1，使VQ1

=0,为Q1的ZVS开通创造条件。在这个过程中，PWM信号加在Q1上使其ZVS开通。这时Vin加在谐振腔上，Ir增大为0，在这个过程中，由电磁感应定律知，同名端为“+”，副边DR1导通，此时副边电压即为输出电压。反推过去，原边电压即为恒定值（NpV0/ns），则Lm处于恒压储能状态，其电流线性上升。

图4　LLC谐振变换器各阶段工作过程Fig.4 Variousphases of the LLC resonant converter process

图5　LLC谐振变换器各阶段工作波形Fig.5 Various phases of LLC resonant converter waveforms

由上式可知，显然fr1＞fr2，由直流特性曲线可知，当开关频率fs＞fr2时MOSFET工作在ZVS区域，对于MOSFET而言，ZVS模式下开关损耗较ZCS模式要小。在轻载时，LLC谐振变换器的开关频率变化很小，即使在空载时它也具备零电压开关能力。

t1＜t＜t2阶段。t0—t1时段，Q1已经导通。谐振电流Ir从0开始以近似正弦规律增大，副边DR1依然导通，副边电压即为输出电压，那么原边电压是恒定值（npV0/ns），且电流ILm线性上升。此时工作在串联谐振状态，即Lr与Cr串联谐振，Lm上电压由于被钳位而只作为负载不参与谐振。

t2＜t＜t3阶段。t2时刻，Inp=0,则副边电流也为0，即DR1

实现ZCS关断，不存在反向恢复的问题。在这个时段，Q1依然导通。这时（Lm+Lr）与Cr形成串联谐振，由于时间较短，而且（Lm+ Lr）也很大，认为电流保持不变，Ir=ILm。在t3时刻，Q1关断，电流Ir（大于0）为ZVS开通Q2创造条件。从这个模态可知，MOSFET的关断电流即为激磁电流，通过变压器的合理设计，使激磁电流比负载电流小得多，那么可以降低开关损耗。同时可知，ZVS开通是由于激磁电流所得，此时变压器原副边断开，与负载电流无关，那么即使在零电流负载的条件下也能实现ZVS开通。由于下半周期的工作状态和上半周期一致，这里不再阐述。

3　仿真分析

为了验证本方案的可行性与实效性，对LLC半桥谐振式变换器进行仿真分析与验证。采取开关频率工作在fr1＞fs＞fr2时，可以实现原边功率管工作在ZVS状态，副边二极管工作在ZCS状态。可以很大程度地减小开关损耗，增加通信电源的整体效率。

图6　系统仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the system

图6为SABER仿真波形，依次为谐振回路电流波形和谐振电感波形、MOSFET驱动波形、副边整流管电压波形、副边整流管电流波形、全波整流输出波形。仿真结果证明了理论推导的正确性。

4　结论

本文围绕半桥LLC谐振式通信电源设计了主电路拓扑结构以及PFC有源功率因数校正的设计。

通过引入谐振电感和谐振电容来实现功率管的软开关作用，实现了LLC谐振变换器，很大程度地增加了整个系统的高频化、高效率的性能要求。并通过控制功率管开关频率在fr1＞fs＞fr2之内，实现原边功率管的零电压开通（ZVS），副边整流二极管的零电流关断（ZCS），提高了整个通信电源的效率。

参考文献

［1］顾亦磊，吕征宇.副边电压应力最小化的LLC谐振型变换器拓扑［J］.中国电机工程学报，2006，26（10）：50-55.

［2］陈辉明，王英，张仲超.高频LLC感应加热电源及降低开关损耗策略研究［J］.中国电机工程学报，2006，26（17）：67-71.

［3］蔡宣三，张占松.开关电源的原理与设计（修订版）［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［4］Mattavelli P. Digital Control of DC-DC Boost Converters with Inductor Current Estimation，Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］//APEC 2004.Nineteenth Annual IEEE，2004，1：74 -80.

［5］Youssef M Z，AIN P K.A Front End Self-sustained LLC Resonant Converter，Power Electronics Specialists Conference［C］// PESC 2004. IEEE 35th, 2004 ,4：2651-2656.

［6］Cheng Ruijun，Yang Yugang，Jiang Ying . Design of LLC Resonant Converter with Integrated Magnetic Technology［C］// Electrical Machines and Systems 2005 ICEMS 2005.Proceedings of the Eighth International Conference on，2005,2：1351-1355.

［7］陆治国，余昌斌.基于FHA的LLC变换器的稳态分析［J］.低压电器，2007（17）：9-13.

［8］杨益平.谐振DC-DC变换器的研究［D］.杭州：浙江大学，2005.

［9］Canales F，Barbosa P，Aguilar PC，et al. A High-power-density DC-DC Converter for High-power Distributed Power Systems［C］//in Proe.IEEE PSEC，Neapulco，Mexico，2003：11-18.

修改稿日期：2015-12-14

Design of Half-bridge LLC Resonant Type Communication Type Power Supply

ZHANG Lixin1，WANG Xudong1，LI Xin1，JIANG Runze2
（1. School of Electrical Engineering，Harbin University of Science and Technology,
Harbin 150080，Heilongjiang，China；2. The Chinese People′s Liberation Army 65426 Troops,Harbin 150001，Heilongjiang，China）

Abstract：With the popularity of 4G networks，more and more peoplerely on the convenient of the network，the stability of communication network is much higher than before and the real-time capabality needs higher requirements. Communication power supply，as the stable operation of the communication system security，the reliability draws much more attention of industy. A half bridge LLC resonant type communication power supply was designed，using for communication equipment，the communication power supply had two stage structure，APFC+LLC structure.Active power factor correction circuit used boost converter as the main topology，the circuit worked in continuous current mode，the communication power supply could achieve high power factor，and reduced the input current harmonic content. The second stage was half bridge LLC resonant converter，according to the theory，calculated the circuit impedance，ratio of resonant inductance and quality factor，finally got the transfer function，using design of resonant circuit to stabilize the output voltage.Finally the communication power supply of 360 W was made，after the experimental verification the power efficiency of the communication power supply is high.

Key words：communication power supply；power factor correction；half-bridge LLC；soft switch

中图分类号：TM46

文献标识码：A

作者简介：张立新（1990-），男，硕士研究生，Email：1059140752@qq.com

收稿日期：2015-09-02