基于LLC与交错并联结构的PFC电路研究①
2021-07-05郭清香刘帅帅
徐 锐，国 海，权 悦，郭清香，刘帅帅
(安徽科技学院机械工程学院，安徽 凤阳 233100)
0 引 言
目前，设备运行过程中的谐波污染、功率因数降低等问题日益凸显，开关电源技术逐渐向着高频化发展带来的开关管损耗也变得不容忽视[1]。有源功率因数校正(APFC)技术、软开关技术能够较好解决以上问题。国内外的众多学者对APFC技术、和软开关技术进行了大量研究。文献[2]提出了一种1.5kW谐振变换器，实现了系统的软开关控制，但未对前级PFC电路的设计进行阐述，忽略了电路谐波对系统的影响。文献[3]以交错并联Boost PFC为研究对象，设计了一种车载充电系统，进行了前级PFC电路的设计，但未考虑到系统高频化在实际工作过程中带来的开关损耗问题。传统单相Boost PFC电路的出现有效改善了电网当中谐波的含量，提高了功率因数，但由于电路电感体积过大，输入电流纹波幅值过大等原因已经无法满足有些要求严格的场合的生产需要，而两相交错并联Boost PFC电路的出现很好的解决了上述问题[4]。LLC谐振变换器通过电容、电感之间的谐振，使得功率器件可以实现软开关[5]。综合考虑上述两种电路的工作特点，将二者相结合研究了一种新型的电路拓扑结构。对电路进行设计、仿真分析，验证了该电路结构设计是完全可行的。
1 主电路拓扑结构
设计电路结构主要分为两个部分：交错并联Boost PFC电路和半桥LLC谐振变换电路。图1为主电路图，电感L1、L2与开关管S1、S2组成了前级的功率因数校正部分；电感Lr、Lm电容Cr组成了后级的LLC谐振变换器部分。
图1 基于LLC的交错并联APFC主电路
1.1 PFC电路控制环节设计
设计了如图2所示的平均电流控制策略。该控制采用电压外环、电流内环构成双环控制。电流内环的作用是保证输入电流波形更接近于正弦波。电压外环的作用是稳定电路的输出电压[6]。控制过程是首先对电路中的输出电压V0进行检测，与标准输出电压Vref进行比较得到一个差值，与输入电压Vac一起通过乘法器得到了电流内环的基准信号Iref，将Iref分别与电感电流iL1,iL2进行做差，差值进入电流PI控制器来控制PWM模块产生命令来控制开关S1、S2[7]。图2为PFC的控制原理图，图中Kf、Ks1、Ks2、Kd分别为电压、电流检测调节模块，Gvea为电压PI调节器，Gca1、Gca2为电流PI调节器。
图2 PFC控制原理图
1.1.1 电流环的参数设计：
对两相交错并联Boost电路其中一相进行分析，在一个开关周期内电路中电感电压的平均值为：式(1)
(1)
(2)
在fin远小于fsw时,对上式施加小信号扰动得：式(2)。
对上式进行拉氏变换得到电流环的传递函数：
(3)
电流PI控制器传递函数为:式(4)。
(4)
Ti=KsGidGca
(5)
电流环的开传递函数为：式(5)。
要保证整个控制系统达到稳定状态，电流环的带宽要达到几k的范围，需要满足电流环的截止频率远大于电流环路PI控制器的“零点”，系统的相位裕度在40°～60°。“零点”取10KHz，由式：(6)得式(7)
lg|Gca|=-lg|GidKs|
(6)
lg|Gca|=-lg|GidKs|=
(7)
将电流PI控制器的“零点”设为1kHz,可得：式(8)、式(9)
(8)
(9)
所以Kp1=4.239,Ki1=25983。
1.1.2 电压环的参数设计
电压环的传递函数为式(10)，电压PI控制器函数为式(11)、电压环开环传递函数为式(12)。
(10)
(11)
Tv=KdGvcGvea
(12)
电压的开环截止频率可以取10Hz，相角裕度取45°，这样可以更好的减小输出电压纹波对电压环的影响。由式(13)可得式(14)。
lg|Gvea|=-lg|GvcKd|
(13)
(14)
将电压PI控制器的“零点”设为10Hz，可得式(15)、式(16)。
(15)
(16)
所以Kp2=8.315，Ki2=524.361
2 LLC谐振变换器的设计
目前，开关电源器件的开关损耗逐渐增加，此时软开关的作用也就凸显出来。LLC谐振变换器可以实现软开关，选择半桥LLC谐振变换器作为开关电源的后级。
图3 半桥LLC谐振变换器主电路
半桥LLC谐振变换器的设计参数如表1所示:
设置输入电压为400V，输出电压25V，输出二极管压降0.7V。
根据上表给出的参数可以得出谐振变换器的理论变比为：式(17)。
(17)
(18)
表1 电路参数
由式(17)变压器的匝数比计算出输入电压增益的最值为：式(18)。
求出变压器初级侧的负载电阻和反射电阻：式(20)。
(19)
(20)
计算在Vin最大，输出不加负载时的电感比：式(21)。根据式(21)得出品质因数Q为：式(22)。
(21)
(22)
在整个运行范围内的品质因数需要不大于Qmax，且需要留有5%～10%的裕量[8]。
Q=(90%～95%)min{Qmax1,Qmax1}=0.319
(23)
确定最小归一化频率：
(24)
fmin=fr·fnmin=82kHz
(25)
由前面计算得出的参数来确定谐振电路中的谐振参数大小：
(26)
3 仿真结果及分析
为验证上述分析的正确性，通过软件建立仿真电路，对文中所设计的交错并联Boost PFC电路和半桥LLC谐振变换电路进行仿真测试。
图4 PFC电路输入电压电流波形
图5 PFC电路输出电压波形
图6 LLC谐振变换器工作波形
3.1 功率因数校正电路仿真
设计的电路输入电压为220V,PFC电路输出电压为400V。图4为经过功率因数校正后的输入电压Vin和输入电流Iin，图5为交错并联Boost PFC电路的输出电压波形图。从图中可以观察得知，电压和电流的波形均为正弦波，而且波形基本相同。输出电压稳定在了400V左右，证明设计的两相交错并联Boost PFC电路实现功率因数校正，同时具有很好的升压特性。
3.2 半桥LLC谐振变换器的仿真
通过软件对设计的半桥LLC谐振变换器进行仿真分析。
观察图6可以得出开关管在工作的过程中发生了谐振，这是电路实现软开关的必要过程。为了验证电路进行工作时，是否实现软开关，测出电路中开关管和二极管两端的电压电流波形，如图7,8所示：
图7 开关管Q1、Q2的驱动信号和两端电压波形
图8 谐振电流和副边二极管两端电压波形
通过图7、图8观察可得所设计的谐振电路在原边实现了ZVS,副边实现了ZCS，可以通过降低开关的损耗，有效的提升电路传输效率。
4 结 语
随着电力电子设备的日益普及，现代电力设备对PFC电路在谐波的消除、功率因数校正方面的要求也是越来越高。传统PFC电路在功率因数校正方面有一定的效果，但在输出电流纹波大小、电感体积方面还是有一定的不足，导致无法在要求严格、高精度的场合很好使用，并且随着开关电源的高频化发展使得电路损耗加大。针对这些问题设计了一种功率变换电路，前级采用交错并联Boost PFC电路，后级采用半桥LLC谐振变换电路进行功率变换，通过分析得出：
(1)在功率因数校正部分，分别对电流环、电压环进行计算设计。最后通过仿真的图形可以看出校正后的电压电流波形大致相同，很好的实现了功率因数校正和电压的上升。
(2)对半桥LLC谐振变换器进行分析和参数设计，通过仿真可以看出所设计的半桥LLC谐振变换器在开关管工作时很好的实现了软开关，符合设计要求。
研究为交错并联Boost PFC电路提供了一些参考，同时PFC技术也是一直处于发展的阶段，今后一定会研发出更加满足电力需求的PFC电路。
