LCC谐振变换器研究现状的综述

王 栋，程 杨，贾 强

（空军预警学院，湖北 武汉 430019）

近30年来，电力电子技术得到了飞速发展，已经广泛应用于军工、航天、通信以及计算机等领域。DC/DC变换技术作为电力电子技术的核心技术之一，主要用于直流电压的变换。随着科技的进步，人们对DC/DC变换器的要求越来越高。早期的DC/DC变换器体积过大，不能满足应用需求。为了解决变换器体积过大的问题，提出了提高变换器工作频率的方法。然而，高频化的DC/DC变换器虽然减小了体积，但增加了开关损耗。软开关技术的提出，有效解决了这个问题。软开关技术应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零（或电压为零）时使器件关断（或开通），从而减少开关损耗。

当今DC/DC变换器日益趋向小型化、轻量化和高效化，谐振变换器的概念得以提出。它能够在实现变换器轻量化、小型化的同时，减小其制作成本，提高使用效率。谐振变换器利用软开关原理实现开关器件的零电压（零电流）开关，极大地减小了变换器的开关损耗，使得变换器的开关频率进一步提升，为DC/DC变换器提供了更加广阔的应用空间。谐振变换器具有寄生参数兼容、软开关性能好等优点，但其本身也存在一定的复杂性。与传统变换器不同，它的能量传递利用复杂的谐振回路来实现。LCC谐振变换器作为一种三元件谐振电路，谐振回路存在多种谐振过程，工作过程比较复杂。此外，LCC谐振变换器结合了SRC和并联谐振变换器PRC的优点，目前主要应用于数码、医疗、武器装备和通信电源等领域，应用前景广阔。

谐振变换器由逆变网络、谐振网络和整流网络构成。逆变网络可根据不同的应用场合、输入电压和功率，选择全桥、半桥等电路；谐振网络一般由电感和电容组成，通过两种器件的谐振实现软开关，并通过其软开关特性降低损耗，提高频率；整流电路一般分为倍压整流、全波整流、全桥整流和倍流整流等电路。

按照谐振元件参与能量转换的程度，谐振变换器分为全谐振型变换器、准谐振型变换器和多谐振型变换器。对全谐振变换器按照谐振元件进行分类，常见的谐振变换器有串联谐振变换器、并联谐振变换器、LCC谐振变换器和LLC谐振变换器。

1 LCC谐振变换器

1.1 LCC谐振变换器简介

LCC谐振变换器电路拓扑，如图1所示，特点是谐振网络由串联谐振电感Ls、串联谐振电容Cs和并联谐振电容Cp三个谐振元件组成。由图1可以看到，LCC谐振变换器是SRC和PRC的结合，综合了这两种变换器的优点，使其在某些频率范围内存在SRC的优点，而在其他频率范围内又具有PRC的优点，电压调节范围较宽，且具有良好的抗负载短路和开路性能。LCC谐振变换器在负载较重时，电路特性接近SRC；负载较轻时，电路特性接近于PRC。在使用LCC谐振变换器时，根据应用场合的不同可选择不同的滤波电路。比如，在一些高电压输出场合，一般使用电容滤波。当变压器匝比较大时，谐振电容Cp可由匝间电容代替，以减少变压器寄生参数对电路特性的影响。在LCC谐振变换器中，变压器的励磁电感不参与谐振，使其变压器相较于LLC谐振变换器来说比较容易制作。

图1 LCC谐振变换器电路拓扑

1.2 谐振变换器控制策略

对于LCC谐振变换器来说，确定拓扑结构后，一般通过优化开关器件的控制方式来提高其软开关性能。它的控制主要分为两大类，即变频控制和定频控制。

通过改变驱动信号的频率改变谐振变换器输出电压且维持变换器开关管的ZVS的控制策略，被称为变频控制。为了软开关的实现，变频控制的谐振变换器可能会出现较宽的频率变化范围，使磁性元件的利用率变低。此外，过高的开关频率会引起较大的电磁兼容问题。

定频控制主要包括移相控制和占空比控制。对于定频移相控制策略来说，通过滞后桥臂对于超前桥臂的移相角控制输出电压和变换器的软开关实现情况。对于定频占空比控制策略来说，通过改变开关管驱动信号的占空比实现对输出电压和变换器的软开关实现的控制。除了这两种控制方式，还有一种新兴的控制方式，即自激移相控制方法。它主要是将自激振荡控制[1]与移相控制相结合，利用谐振电流的特征来提供开关管驱动信号，能够根据电路变化实时自适应改变驱动信号，以调节变换器输出电压的大小。这种控制方法与传统的移相控制相比，对变换器的软开关特性和输出电压调节能力都有较大提高。

工程应用中，定频控制策略相较变频控制策略具有较高的应用率，因为它的操作比较简单且缺点较少。因此，研究定频控制的优化具有非常重要的现实意义[2]。文献[3]提出了一种不对称控制模式，优点是可以提高变换器ZVS范围，不足是只介绍了其在高功率变化范围内的实验结果，对于低功率时控制模式的效果暂不清楚。文献[4]分别介绍了三种控制模式，即不对称占空比控制、不对称电压控制以及定频移相控制。文献[5]针对上述三种控制方式，分别应用在SRC上进行效果的对比分析。在LCC谐振变换器中，应用不对称控制策略的效果是一个有意义的问题。除了上述两种控制方式以外，近些年还出现了双频率调制、脉冲序列调制等控制策略。

2 LCC谐振变换器国内外研究现状

20世纪80年代以来，由于谐振变换器能够减小开关损耗，提高工作频率，使变换器进一步小型化，得到了人们的广泛关注。相较之前的硬开关PWM开关变换器来说，它使电源变得更加高效高能，正因为如此，谐振变换技术得到了飞速发展[6]。SRC和PRC作为谐振变换器的基础，存在缺点：SRC轻载时电路稳定性较差；PRC的谐振电流相对偏大，对变换器的效率影响很大。因此，如何改善谐振变换器的缺点成为学者们研究的重点。此时，更多人把研究重点放在拓扑结构的创新上。20世纪90年代初，LCC谐振变换器应运而生。随后，针对LCC谐振变换器的研究大大增多，焦点主要集中在以下三点：一是闭环控制器设计时小信号模型的建立；二是变换器参数的优化设计；三是LCC谐振变换器与其他拓扑结构的谐振变换器在不同场合的应用对比情况。

20世纪90年代LCC谐振变换器刚刚问世，大部分研究停留在理论阶段，实际生产应用中由于制作工艺、控制方法没有得到充足发展，所以并没有得到大范围的推广使用。经过近10年的发展，LCC谐振变换器展现出了良好的性能，在高频高压领域具有高效率、低噪声的优点。变压器寄生电容充当并联谐振电容，使其谐振元件减少。与此同时，国内外LCC的研究已经转变到过流保护开发、同步整流以及磁集成技术等方面。经过前人的不懈努力，LCC谐振变换器的应用场合已经不再受限，现已应用在高频大功率场合。

2002年后，LCC谐振变换器开始进入国内研究人员的视线。除了一些电源公司分别将LCC谐振变换器申请专利，各大高校也对LCC谐振变换器进行了大量研究。有大量学者提出了一些LCC谐振变换器的延伸拓扑结构，进一步优化了在相关领域上的适用性和高效性。例如，文献[7]提出了一种双LCC谐振变换器，如图2所示，采用电路叠加法对其进行分析，同时提出了一种参数优化方法实现全桥逆变器的ZVS。双LCC结构不仅具有初级电流常数的LCL拓扑特性，而且具有完美的对称性，设计过程简单，可在固定频率点操作，达到了要求的功率因数，且电压和电流应力很小。因此，双LCC补偿结构成为电感耦合能量传输系统（Inductively Coupled Energy Transmission，ICPT）中的有效拓扑[8]，主要应用在物流运输、医疗装备、电子产品和电动汽车等方面，应用前景非常广阔。

图2 双LCC谐振变换器

文献[9]提出了一种带电容输出滤波器的电流馈电隔离式LCC-T谐振DC/DC变换器，旨在通过ZVS降低开关管损耗以提高变换器效率，同时实现了所有二极管的ZCS导通，最大程度提高了变换器的效率。文献[10]介绍了基于LCC-T谐振变换器的无线电源传输技术（Wireless Power Consortium，WPC），可应用于小功率场合（如用于移动电话无线充电器），也可应用于大功率场合（如电动车辆），具有较宽的应用范围。图3为LCC-T型谐振变换器的拓扑结构。在LCC谐振变换器前，WPC也尝试着与串联谐振、并联谐振等谐振变换器结合，但是效果不理想。基于LCC-T谐振变换器的WPC能够在设计合理的情况下实现高效率，实验结果能够达到94.9%的效率。文献[11]提出了一种新颖的LCC/S补偿拓扑结构，具有可调恒定增益和零电压开关导通的优点。

迄今为止，对比之前提出并分析的大量的单相谐振变换器而言，对于三相谐振转变器的研究相对比较少。最近，具有高频隔离变压器的三相LCC型谐振变换器受到了很多关注，它们固有的优点是：低开关损耗、高开关频率下高功率工作的能力、滤波器元件尺寸的减小以及谐振电感器的值和尺寸的减小。文献[12-13]提出了一种带电容输出滤波器的新型三相LCC型谐振变换器，如图4所示。除了上面列出的优点之外，以下是所提出的变换器的独特优点：（1）由于消除了滤波电感降低了成本；（2）输出整流器可以在ZCS模式下工作，消除了反向恢复损耗，,是电感滤波器无法实现的；（3）高频隔离变压器可以是单个三相单元或三个单独的单元，具体取决于功率水平的高低和材料可用性。与三个独立的变压器相比，单个三相隔离变压器的优点是尺寸减小、成本较低、铁芯损耗较低等。

图3 LCC-T型谐振变换器

图4 三相LCC谐振转换器

3 结 论

随着社会的进步和发展，LCC谐振变换器已经成为高频高压领域装备电源的核心技术，广泛应用于数码、军工、船舶、航天等各行各业，且随着数字技术的发展，以DSP、ARM等技术为核心控制技术的LCC谐振变换器有着很大的研究空间，今后LCC谐振变换器一定会有更加宽广的应用前景，会在DC/DC变换领域发挥不可替代的作用。