一种双电感结构的LLC谐振型PFC AC-DC变换器

闫朝阳，秦海宁，郑倩男，张青山，田 萌

（燕山大学电气工程学院电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,秦皇岛066004）

一种双电感结构的LLC谐振型PFC AC-DC变换器

闫朝阳，秦海宁，郑倩男，张青山，田 萌

（燕山大学电气工程学院电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,秦皇岛066004）

传统的AC-DC电源多采用二极管整流，由于大滤波电容和不控器件的存在，造成电路本身功率因数较低，且会对电网侧产生严重的谐波污染。一般方法多采用再级联一级功率因数校正（PFC）电路，来解决谐波污染和功率因数较低的问题，但由此增加了电路级数，增加了电路结构和控制的复杂度，降低了电路的效率。研究了一种基于双电感结构的具有PFC功能的LLC谐振型AC-DC变换电路，单级电路可以实现高功率因数能量变换，提高了电路传输效率。该电路不仅实现了传统LLC谐振变换，保证开关管以软开关方式工作，而且采用双电感结构的PFC电路，运用并联交错技术，较好地克服了电流断续型PFC电路输入电流谐波畸变较大的问题。对该电路拓扑进行了理论分析和仿真研究，实验验证了该电路拓扑的可行性。

AC-DC变换；功率因数校正；LLC谐振；双电感结构；单级电路

传统开关电源中，直流电主要靠二极管整流电路从交流电网获得，其输入电流谐波含量较高，大量高次谐波电流倒灌回电网，产生传导和辐射干扰，对电网产生较为严重的谐波污染。电力电子装置的广泛使用给电网带来严重的谐波污染。一些国家和组织相继制定、颁布了相关标准（如国际电工委员会的IE555-2等）对此进行限制[1]。功率因数校正PFC（power factor correction）技术可以有效提高电路的功率因数，降低对电网侧的谐波污染，因此单级PFC AC-DC电源备受瞩目[2,3]。

本文研究一种新型单级PFC AC-DC变换电路，该AC-DC变换器由Boost型PFC环节和LLC谐振DC-DC变换环节构成[4]。该电路所采用的双电感结构的PFC电路与隔离型半桥LLC谐振变换器共用主功率开关管，形成单级型具有PFC作用的AC-DC变换器。其中双电感结构中两路Boost型PFC电路工作于交错并联状态，解决电流断续带来的谐波畸变率大等问题，同时，LLC谐振变换器可在宽负载范围内实现开关管的零电压开关ZVS（zero-voltage-switching）和副边整流管的零电流开关 ZCS（zero-current-switching）[5]，提高了电路效率。

1 单级型LLC谐振PFC AC-DC变换电路拓扑及其PFC功能实现分析

1.1 单级型LLC谐振PFC AC-DC变换电路拓扑

具有双电感结构的LLC谐振型PFC AC-DC变换电路拓扑如图1所示。该电路主要由双电感型PFC电路和传统的隔离型半桥LLC谐振型DC-DC变换电路耦合而成，两电路共用主功率开关管，形成单级电路。

工作时输入交流电压经二极管整流电路整流，当开关管S1、S2交替导通，双电感Lb1、Lb2与电容 C1和C2、滤波电容Cb、开关管的反并联二极管DS1、DS2构成两路Boost型PFC电路，两电路以交错并联方式工作于电感电流断续状态，电感电流叠加形成输入电流，输入电流保持连续状态，跟踪输入电压，克服了电感电流断续型PFC电路输入电流谐波畸变率大的问题，同时2个电容各分担输入电压的一半，减小功率开关管损耗和对开关管的应力；此时，双电感型PFC电路输出为直流脉冲电压，经LLC谐振网络形成的正负交替脉冲电压，由变压器输出到副边，经滤波电路，最终实现直流稳压输出。本质而言，该拓扑中的LLC谐振变换属于LLC-4型[6]，电路可采用变频控制，在一定频率范围内，LLC谐振变换器可以在较宽负载范围内实现开关管ZVS，且变压器副边整流二极管能实现ZCS[7]，从而减小损耗提高效率。

图1 双电感结构PFC LLC谐振型AC-DC变换电路Fig.1 LLC resonant AC-DC topology with PFC function based on double inductor structure

1.2 PFC功能的实现分析

Boost型功率因数校正变换器具有结构简单、效率高、输入电流纹波和器件导通损耗很小及工作性能稳定等优点，因此广泛应用于各种电子设备PFC电路中[8]。本文研究的双电感结构PFC LLC谐振型AC-DC变换器中，两主功率开关交替导通，与双电感结构组成两路Boost电路，如图2所示，是单级型电路实现功率因数校正的关键。图中，C1、S1、DL1、Lb1、DS2、Cb共同组成第 1 个 Boost电路，C2、DL2、Lb2、S2、DS1、Cb共同组成第 2 个 Boost电路， 两路电路工作于交错并联方式。交错并联Boost可以减小开关管的电流应力，输出电流纹波较小，同时输出电流纹波频率为开关频率的2倍，可以减小无源滤波器的体积[9]。

图2 双电感结构Boost电路Fig.2 Boost circuit with double inductor structure

对于Boost型功率因数校正电路，根据电感电流是否连续，有3种工作模式：连续导电CCM模式（continuous conduction mode）、断续导电 DCM 模式（discontinuous conduction mode）和临界导电CRM模式（critical conduction mode）[10,11]。 当Boost电路工作于DCM模式、开关管导通时，加在电感上的输入电压为

可得到DCM模式下在一个周期的输入电流峰值为

式中：Vin为输入电压；Lb1为电感值；ton为导通时间。该模式下导通时间和电感值不变，电流峰值只与输入电压Vin有关，电流峰值自动跟随电压幅值变化，自动实现PFC，但Boost电路电感电流峰值将高于平均电流，器件要承受较大的电流应力，增加了开关损耗，同时输入电流谐波畸变较大。

本文所采用双电感结构PFC电路中的2个Boost电路均工作在DCM模式下，2个电容C1和C2各承担输入电压幅值的一半，作为Boost电路的输入电压，一定程度上减小了电流峰值对开关管造成的电流应力和开关损耗，当开关管S1、S2交替导通时，双电感结构中的两路Boost电路处于交错并联工作方式，输入电流为两路Boost电路电感电流的叠加，原理示意如图3所示。

当开关管S2导通时，流过电感Lb1的电流为0，此时电路电流流向如图3（a）所示。其中电感Lb2处于储能阶段，电容C2的电压加在Lb2上，电感电流iL2线性增加，双电感结构中电流由二极管整流电路流出，经 C1、S2、二极管 DL2、Lb2流回整流电路侧，此时谐振电流ir经S2流动，变压器副边D2导通，经滤波电容向负载提供直流电压；当开关S1开通S2关断，电感Lb1处于储能阶段，流过电感Lb2的电流iL2续流，其电流流向如图3（b）所示，电感电流iL1方向为：由二极管整流电路流出，经二极管DL1、电感Lb1、开关管S1、电容C2流入整流侧，流过电感Lb2的电流续流，从电容Cb流出，经二极管DL2和电感Lb2流入整流侧，即储能阶段的电感电流iL1与续流阶段的电感电流iL2叠加，避免开关管关断期间输入电流的断续状态，使输入电流保持连续。

上述开关切换过程分析暂未考虑死区带来的影响，电路工作过程的工作模态详细分析如下。

图3 Boost电路电流叠加原理示意Fig.3 Schematic diagram of current superposition principle of boost circuit

2 工作模态

传统LLC谐振变换器有2个谐振频率：串联电感与串联电容形成的串联谐振频率fs；串联电感、并联电感和串联电容形成的串并联谐振频率fm[12,13]，分别表示为

根据开关频率f的不同，变换器存在3种工作模式[14]，当LLC谐振电路频率在fm＜f＜fs范围内时，电路中的主开关管可实现全电压输入范围、全负载条件下的ZVS,可在高频工作情况下使开关损耗最小化[15]。电路频率在fm＜f＜fs范围内，一个周期可以划分为12个工作模态（考虑死区时间），下半周期的工作模态与上半周期相似，仅以上半周期为例进行分析。

图4所示的电路主要波形中，vgs1、vgs2为开关管S1、S2驱动电压波形，iL1、iL2为两路 Boost电路的电感电流，ir为谐振电流，im为励磁电流，iD1、iD2为流过变压器副边二极管D1、D2的电流。双电感结构PFC LLC谐振型AC-DC电路工作模型如图5所示。

工作模态 1：当 t1＜t＜t2时，S2关断，S1尚未开通，电路处于死区时间。此时，流过Lb2的电流通过S1反并联二极管、滤波电容Cb续流下降，即双电感电路输入电流通过电容C1、S1反并联二极管、电容Cb、DL2、Lb2流回整流电路，此时C1处于充电状态，电容C2处于放电状态；在LLC谐振电路中，谐振电流ir反向流动，经电感 Lr、电容 Cr、S1反并联二极管、Cb和电感Lm续流减小，此时谐振电流对S1的寄生电容放电，当开关管两端电压为零时，反并联二极管钳位电压，为零电压开通提供条件，此时励磁电流im线性减小，与谐振电流之差提供变压器输出电流，变压器副边二极管D1导通，经滤波电容C3向负载提供电压，直到S1开通，该模态结束。

工作模态 2：当 t2＜t＜t3时，S1零电压开通，电路处于换流状态。此时在双电感结构中，流过电感Lb2的电流依照模态1电流方向流通，续流减小。开关管S1的开通使流过电感Lb1的电流线性增加，两电感电流叠加，作为输入电流；此时，LLC谐振电流ir仍为负，经过电感 Lr、电容 Cr、开关管 S1的反并联二极管、滤波电容Cb、电感Lm而续流减小，励磁电感电流im线性减小，与谐振电流之差提供变压器输出电流，D1导通，此阶段谐振电流为负值，使开关管S1开通前仍流过反向电流，保证开关管零电压开通，当谐振电流ir过0时，该模态结束。

图4 电路谐振工作主要波形Fig.4 Main waveforms of circuit resonance working

图5 双电感结构PFC LLC谐振型AC-DC电路工作模态Fig.5 Working modes of LLC resonant AC-DC circuit with PFC function based on double inductor structure

工作模态 3：当 t3＜t＜t4时，S2关断，S1开通，谐振电流ir过0时，该模态开始。此时双电感结构中，流过电感 Lb1电流的经 DL1、电感 Lb1、开关管 S1、电容C2流通，流过电感Lb2的电流由电容Cb流出，经DL2和电感Lb2流入整流电路，两电流叠加，形成连续的输入电流；此时在LLC谐振电路中，谐振电流按正弦变化，励磁电流由负值趋向于0。两电流共同流过变压器原边，此时D1导通。当流过电感Lb2的电流为0时，该模态结束。

工作模态 4：当 t4＜t＜t5时，S2关断，S1开通，电感电流iL2为0时，该模态开始。此时双电感PFC电路中，流过电感Lb1的电流经二极管DL1、电感Lb1、开关管S1、电容C2流入整流电路，保证了输入电流连续；此阶段谐振电流ir仍呈正弦规律变化，流过励磁电感Lm的电流由负值变化到0，两电流共同流过变压器原边，此时D1导通，当励磁电感电流im过0时，该模态结束。

工作模态 5：当 t5＜t＜t6时，S2关断，S1开通，流过励磁电感Lm的电流过0时，该模态开始。此时双电感电路中，输入电流仍由流过电感Lb1的电流提供，经二极管 DL1、电感 Lb1、开关管 S1、电容 C2流入整流电路，与前一模态相同；此时谐振电流ir仍呈正弦谐振变化，流过励磁电感Lm的电流由0正向线性增加，其与谐振电流之差为变压器提供输出电流，D1导通，直到电流ir和励磁电流im相等时，即变压器无电流输出时，该模态结束。

工作模态 6：当 t6＜t＜t7时，S2关断，S1开通，励磁电感电流im和谐振电流ir相等时，该模态开始。此时双电感电路中，输入电流由流过电感Lb1的电流提供，方向仍依次经二极管DL1、电感Lb1、开关管S1、电容C2流入整流电路，且线性增加，与前一模态相同；此阶段谐振电流ir与励磁电感电流im相等，变压器副边无电流输出，D1零电流自然关断，由电容C3向负载提供能量，避免二极管反向电流的问题，直到S1关断，该模态结束。

3 仿真及实验研究

3.1 仿真研究

使用PSIM软件对双电感结构LLC谐振型PFC AC-DC变换电路进行仿真分析，设置功率为400 W，输入电压为220 V交流电，2个输入电感均为44.8 μH，谐振电容为40 nF，谐振电感为60 μH，励磁电感为340 μH，变压器原副边匝数比为5:1，具体LLC参数设计见文献[16-18]。仿真结果如图6所示。

图6 双电感结构LLC谐振型PFC AC-DC变换电路仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of LLC resonant AC-DC circuit with PFC function based on a double inductor structure

图6（a）、（b）分别为双电感结构中电感电流iLb1、iLb2和iin波形。由图可以看出，两电感电流均处于电流断续状态，输入电流为两电感电流之和，功率因数得到提升。仿真结果与理论分析均证明该电路可以较好地实现PFC。

图 6（c）、（d）分别为电路工作频率 f＜fs时，谐振电流iLr和变压器副边二极管电流ir波形。图（c）中谐振电流波形出现“台阶”状，此时出现三元件谐振状态；图（d）显示变压器副边整流二极管处于电流断续状态，二极管实现了零电流自然关断。仿真波形与谐振变换器模态理论分析一致。

采用变频控制对电路进行了闭环仿真，加入100 Hz的负载扰动，图6（e）为在负载扰动情况下的输出电压Vo和频率波形。由图可以看出，变频控制使系统得到稳定的输出电压，并且通过频率变化实现变频控制，起到较好的调节作用，验证了该电路拓扑变频控制方案的可行性。

3.2 实验验证

为了验证工作原理，搭建功率为50 W的实验平台，输入50 Hz/120 V的交流电，输出20 V/2.5 A，谐振电容为20 nF，谐振电感为120 μH，励磁电感为680 μH，采用DSP数字控制，所得实验波形如图7所示。

图7（a）为电感电流iLb2的实验波形，电流为馒头波状，可以自动实现PFC与仿真结果一致；图7（b）为双电感型PFC电路输出的直流母线电压，可以看出双电感型PFC电路可以在一定程度上为后级电路提供稳定的直流电压；图 7（c）、（d）分别为工作频率f=fs和f＜fs时谐振电流波形，当电路开关频率在谐振点fs时，谐振电流处于正弦谐振状态；当电路开关频率小于谐振频率fs时，谐振电流出现“台阶”状，发生励磁电感、谐振电感、谐振电容三元件谐振状态，谐振变换器工作状态与仿真研究一致。

图7 双电感结构LLC谐振型PFC AC-DC变换电路实验波形Fig.7 Experimental waveforms of LLC resonant AC-DC circuit with PFC function based on a double inductor structure

4 结论

（1）本文所研究的双电感结构LLC谐振型PFC AC-DC变换电路可以以单级电路实现PFC功能和LLC谐振变换，能够减小输入电流谐波畸变，降低电路级数，提高电路效率。

（2）LLC 谐振型 PFC AC-DC 变换器工作在 fs＜f时，变压器副边二极管可实现零电流自然关断，消除二极管反向关断电流带来的影响，实验和仿真验证了电路的工作模态。

（3）对双电感结构LLC谐振型PFC AC-DC变换器拓扑应用变频闭环控制，能够获得稳定的输出电压。仿真证实了该电路拓扑变频控制策略的可行性。

[1]王大庆,贲洪奇,孟涛.单级Boost桥式PFC变换器的Buck启动策略研究[J].中国电机工程学报,2013,33（9）:25-33.Wang Daqing,Ben Hongqi,Meng Tao.Buck starting-up scheme of single-stage full-bridge Boost PFC coverter[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（9）:25-33（in Chinese）.

[2]Cheng C A,Cheng H L,Chang C H,et al.A single-stage LED driver for street-lighting applications with interleaving PFC feature[C]//2013 IEEE International Symposium on Next-Generation Electronics（ISNE）,IEEE,2013:150-152.

[3]Cheng C A,Yen C H.A single-stage driver for high power LEDs[C]//2011 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.IEEE ICIEA,2011:2666-2671.

[4]Lai C M,Lee R C.A single-stage AC-DC LLC resonant converter[C]//ICIT 2006.IEEE International Conference on Industrial Technology,2006:1386-1390.

[5]金峰,刘福鑫,阮新波.采用模块化结构的多相多电平LLC谐振变换器[J].中国电机工程学报,2015,35（17）:4486-4493.Jin Feng,Liu Fuxin,Ruan Xinbo.Multi-phase multi-level LLc resonant converter with modular structure[J].Proceedings of the CSEE,2015,35（17）:4486-4493（in Chinese）.

[6]陈威,吕征宇.第四类LLC谐振变流器模块功能准同构拓扑探求及变形研究[J].中国电机工程学报,2009,29（9）:35-42.Chen Wei,Lü Zhengyu.Investigation on set of quasi-isomorphic topologies and structural variations of type-4 LLC resonant DC-DC converter based on module function identification[J].Proceedings of the CSEE,2009,29（9）:35-42（in Chinese）.

[7]李菊,阮新波.全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[J].电工技术学报,2013,28（4）:72-79.Li Ju,Ruan Xinbo.Hybrid control strategy of full bridge LLC converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28（4）:72-79（in Chinese）.

[8]陈文明,黄如海,谢少军.交错并联Boost PFC变换器设计[J].电源学报,2011,9（4）:63-67.Chen Wenming,Huang Ruhai,Xie Shaojun.Optimal Design of Interleaved boost power factor correction circuit[J].Journal of Power Supply,2011,9（4）:63-67（in Chinese）.

[9]李亚顺,杨海涛,徐德鸿,等.车载辅助DC/DC变换器设计[J].电源学报,2013,11（4）:37-42,87.Li Yashun,Yang Haitao,Xu Dehong,et al.Design of a DC/DC auxiliary converter for car charger[J].Journal of Power Supply,2013,11（4）:37-42,87（in Chinese）.

[10]施玉祥,柳绪丹,邓成,等.Boost-LLC高效率DC/DC变换器[J].电力电子技术,2010,44（8）:24-26.Shi Yuxiang,Liu Xudan,Deng Cheng,et al.Boost-LLC high efficiency DC/DC converter[J].Power Electronics,2010,44（8）:24-26（in Chinese）.

[11]柳绪丹,胡长生,林平,等.窗口控制电流连续模式Boost PFC 研究[J].电力电子技术,2011,45（6）:41-43.Liu Xudan,Hu Changsheng,Lin Ping,et al.Research of CCM boost PFC with enabling window control[J].Power Electronics,2011,45 （6）:41-43（in Chinese）.

[12]邓翔,李臣松,龚春英.基于SG1525的PFM-PWM控制谐振DC-DC变换器[J].电力电子技术,2012,46（3）:68-70.Deng Xiang,Li Chensong,Gong Chunying.DC/DC Resonant Converter With PFM-PWM Control Based on SG1525[J].Power Electronics,2012,46（3）:68-70（in Chinese）.

[13]Gopiyani A,Patel V.A closed-loop control of high power LLC resonant converter for DC/DC applications[C]//Engineering（NUiCONE）,2011 Nirma University International Conference on IEEE,2011:1-6.

[14]方宇,徐德鸿,张艳军.高功率密度LLC谐振变换器的研究[J].电力电子技术,2007,41（8）:16-18.Fang Yu,Xu Dehong,Zhang Yanjun.Design of high power density LLC resonant converter with extra wide input range[J].Power Electronics,2007,41（8）:16-18（in Chinese）.

[15]苏少侃,阮新波,叶志红.自激式LLC谐振变换器[J].电工技术学报,2011,26（12）:85-92.Su Shaokan,Ruan Xinbo,Ye Zhihong.A self-oscillating LLC resonant converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26（12）:85-92（in Chinese）.

[16]Chen S Y,Li Zhurong,Chen C L,et al.Analysis and design of single-stage AC/DC LLC resonant converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59（3）:1538-1544.

[17]Hsu C,Lai Jianting,Lin Mingche,et al.The design and implementation of LLC resonant half-bridge converter with natural interleaved powe-factor-correction[J].Power Electronics and Drive Systems,IEEE Ninth International Conference on,2011:246-255.

[18]胡海兵,王万宝,孙文进,等.LLC谐振变换器效率优化设计[J].中国电机工程学报,2013,33（18）:48-56.Hu Haibing,Wang Wanbao,Sun Wenjin,et al.Optimal efficiency design of LLC resonant converters[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（18）:48-56（in Chinese）.

闫朝阳

闫朝阳 （1976－）,男,中国电源学会高级会员，通信作者，博士,副教授,研究方向：开关电源、电动汽车及清洁能源发电,E-mail：yanzy@ysu.edu.cn。

秦海宁（1990－）,男,硕士研究生,研究方向：采用软开关技术的高频链变换器,E-mail：qinlang929@sina.com 。

郑倩男 （1991－）,女,硕士研究生,研究方向：面向V2G的高频链功率变换系统,E-mail：zqn1293630690@sina.com。

张青山 （1990－）,男,硕士研究生,研究方向：无功补偿与谐波抑制,E-mail：zqs_1230@163.com。

田萌 （1989－）,女,硕士研究生,研究方向：LLC变换器及其应用,E-mail：tianm eng186@sina.com。

A LLC Resonant AC-DC Converter with PFC Function Based on Double Inductor Structure

YAN Zhaoyang,QIN Haining,ZHENG Qiannan,ZHANG Qingshan,TIAN Meng
（Key Lab of Power Electronics for Energy Conversion and Motor Drive of Hebei Province,School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

The traditional AC-DC power supply usually uses diode rectifier.The existence of the large filter capacitor and uncontrolled device causes low power factor and produces serious harmonic pollution to the power grid side.In order to solve the above problems,a PFC（power factor correction） circuit is cascaded.However,this method increases the stage of the circuit,reduces the efficiency of the circuit and makes the structure and control of the circuit complex.In this paper,a LLC resonant AC-DC converter with PFC function based on a double inductor structure circuit is studied to realize the single-stage power conversion and improve the transmission efficiency.The circuit not only can realize the traditional LLC resonant conversion which guarantees switch tubes to work in soft switching mode,but also can overcome the problem of large harmonic distortion of the input current in discontinuous mode PFC circuit,using parallel interleaving technology to the double inductor structure PFC circuit.Theoretical analysis and simulation study are carried out,and the experiments are conducted to verify the feasibility of the circuit.

AC-DC converter;power factor correction（PFC）;LLC resonance;the double inductor structure;single-stage circuit

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.127

TM461

A

2015-12-25；

2016-04-28

河北省自然科学基金资助项目（E2014203091）；燕山大学青年教师自主研究计划课题A类资助项目（14LGA 009）

Project Supported by Natural Science Foundation of Hebei Province（E2014203091）;Independent Research for Young Teachers of Yanshan University（14LGA009）