基于掉电保持的LLC变换器研究综述

熊 宣 赵 慧 陈宗祥

(1. 安徽工业大学电气与信息工程学院 马鞍山 243000； 2. 山东华宁矿业集团有限公司保安煤矿 泰安 271000)

1 引言

随着全球信息化的飞速发展，各行各业的发展都离不开互联网的支持，互联网数据中心的规模和容量迅速膨胀，数据中心的数据处理量、单位能耗迅速增加，各大电信运营商和网络服务企业的数据中心对服务器、不间断电源(Uninterruptible power supply, UPS)等设备的使用量迅速增长。典型的服务器和数据中心电源结构如图1所示，通常前级AC/DC变换器采用功率因数校正器(Power-factor corrector, PFC)将交流电压转换为400 V直流，再由DC/DC级转换为48 V或者12 V。

图1 服务器电源前级变换器的结构

LLC谐振变换器由于其高效率、高功率密度的优点在服务器电源等应用场合广泛使用。但这类电源普遍存在一个较为突出的问题，即当交流线路发生故障，交流输入电压跌落时，直流母线电压将持续降低(图2)，这时为了保证服务器系统正常工作，需要电路的输出保持稳定的几十毫秒甚至更长时间，直到不间断电源(UPS)等系统接入[1-3]，使服务器能继续正常工作。

图2 交流故障时电压波形

因此，这就需要扩宽LLC变换器的输入电压范围，进而可以减小直流母线上使用的电容值，使变换器尺寸减小、成本下降。但是由于传统LLC谐振变换器自身调频控制的增益特性，导致难以在窄的开关频率范围内做到很宽的输入范围，所以需要在传统的LLC变换器上进行改进，以达到掉电保持的要求。

2 常规LLC谐振变换器

一个典型的LLC谐振变换器通常由开关网络、谐振腔、高频变压器以及整流滤波网络四个部分组成，结构如图3所示。

图3 典型LLC谐振变换器图

原边的开关网络通常为全桥或半桥结构，将输入的直流电压逆变为方波注入谐振腔；谐振腔包含谐振电感Lr、谐振电容Cr和励磁电感Lm。谐振电感Lr也可以采样磁集成的方式通过变压器的漏感实现，从而提高变换器的功率密度[4-5]；副边的整流网络可以根据实际需求采用桥式整流或者全波整流，也可以用开关管替代整流二极管实现同步整流。

LLC拓扑归一化电压增益表达式为

式中，励磁电感和谐振电感的系数为m=Lm/Lr，归一化频率为fx=fs/fr，谐振电路品质因数为

由于增益随fx变化，因此可以通过控制开关频率的方式调节输出电压。同时，在设计变换器参数时，设计出不同的Q、m值，使得变换器有着不同的增益曲线。

m值不变Q值变化的增益曲线如图4所示。在Q值较小时有较大的峰值增益，但是在轻载条件下，调频控制的调节能力下降[6-8]，且在达到高增益时需要较低的开关频率，在此增益范围内较宽的开关频率范围导致变压器磁芯大、磁芯损耗高和功率密度低等问题。Q值不变m值变化的增益曲线如图5所示。设计变换器时也可以设计出小的m值达到高增益，但是这会导致通态损耗增加和效率降低[9]。文献[9-12]探讨了常规LLC拓扑宽增益范围的参数设计，但其开关频率范围将变得非常宽，导致传统的LLC拓扑在开关频率窄的情况下难以做到宽输入电压范围。

图4 不同Q值对应的增益曲线(m=6)

图5 不同m值对应的增益曲线(Q=0.4)

3 改进LLC谐振变换器的方案

在掉电保持时间内，负载所需的能量由线路上的电容来提供，LLC变换器需要宽的输入电压范围以有更好的保持时间，同时减小母线电容容值、提高功率密度，下面对近年研究可用于掉电保持要求的宽输入电压范围LLC变换器成果进行分析并分类，将其解决方案基本分为四类，并在整理在表1中，分别为改进控制策略、改进初级侧网络、改进副边整流器、改进谐振腔。

表1 改进方案比较

3.1 改进控制策略

在改进控制策略上基本可分为三种：调节直流母线电压、初级侧开关网络不对称控制、初级侧开关网络全桥与半桥的切换。

(1) 一般电源系统DC/DC级前串了一个PFC变换器，第一种解决方案是通过调整PFC输出的电压，从而改变变换器的整体输出[13-14]。这种策略可以确保功率因数下定频调节整体变换器的输出，但PFC的电压调节能力有限，不能做到过宽的输入电压 范围。

(2) 第二种方案是一种非对称脉冲宽度调制(Asymmetric pulse width modulation, APWM)方案，在保持时间内通过调整占空比的方式提高电压增益，这种控制方式非常简单，而且不需要增加其他的元器件[15]。但这种控制方式的增益提高有限，并且不对称控制会引入偏置电流，从而导致变压器饱和[16]，需要采用更大体积的变压器以避免饱和现象发生，进而减小了功率密度。

(3) 对于全桥LLC和半桥LLC的模式切换，全桥相对半桥多近两倍的增益，有着更宽的输入电压范围[17]，但这种模式的切换存在严重的过冲问题，并且由于模式的切换过程中需要连续的增益，所以在参数的设计过程中也增加了复杂性。文献[18]相对文献[17]增加了一种软切换的方式，将全桥变半桥的常开、常闭开关管的占空比分别慢慢展开、关闭，在保留其高增益的同时解决了模式切换的严重过冲问题，但在模式切换过程中的APWM控制也引入了偏置电流。

3.2 改进初级侧网络

初级侧开关网络的改进主要调节谐振回路的等效输入电压，通过控制开关管的占空比和相移角来生成交流侧电压[19-22]。初级侧逆变器改进型的拓扑如图6所示。

图6 初级侧逆变器改进型的拓扑

这类结构通过控制初级侧开关的占空比和相移角来生成交流侧电压的各种波形，调节交流电压的幅度和脉冲宽度会改变其方均根(RMS)电压，进而提高了电压增益的调节能力，并且谐振参数的设计过程比较简单。但是，这种方法通常需要一些额外的开关，这会增加开关损耗和变换器的体积，并且控制策略相对复杂的多。

文献[21-22]中提出的拓扑(图7)巧妙地将Boost电路运用到了谐振腔的前级，通过控制占空比来调节等效输入电压Vclink，并且应用了APWM控制，进而拓宽输入电压范围。该方案可以减轻设计限制，并相较传统前级直接串Boost电路的方法减小了导通损耗，但其非对称控制同样会引入直流偏置电流。

图7 Boost+LLC级联变换器的拓扑

3.3 改进副边整流器

关于次级侧整流器的修改，基本有三类。

(1) 在功率变压器中增加了辅助绕组及其开关和整流器，如图8所示。在保持时间内通过控制其 辅助绕组上的开关占空比实现LLC变换器的更高电压增益，从而达到保持输出的目的[23]。从效率和功率密度提高的角度来看，增加额外的绕组使优化变压器变得更加困难，并增加了损耗。

图8 具有副边辅助绕组的LLC变换器

(2) 在副边增加开关和电容构成倍压整流电 路[24-25]，如图9所示。文献[24-25]中使次级侧实现在桥式整流和倍压整流之间切换，文献[26]的副边整流器是将文献[24]中副边的两个二极管D1、D3换成开关管，通过控制开关管使副边可以实现四倍整流器，该类方案需要在两种结构之间进行模式转换，将两种模式下的电压增益能构成连续，因此在参数设计时的复杂性增加。

图9 二次侧整流器改进型的拓扑

(3) 图10为文献[27-28]中提出的二次侧整流器改进的电路拓扑图。如图10所示将全桥整流的二极管桥臂的一个分支换成开关管或者添加辅助开关管和二极管的方式，在保持时间内控制开关管实现二次侧在一定时间内短路，此时谐振腔的阻抗减小，这样增加了开关网络向谐振腔注入的能量，从而增加了LLC变换器的输出功率，提高了增益[27-30]，进而可以拓宽输入电压范围。该类方案电路简单，控制也不复杂。

图10 文献[27-28]中提出的改进型二次侧整流器

3.4 改进谐振腔

这类方案主要是改进谐振腔的参数(Cr，Lr，Lm)和变压器的匝比n。由式(1)可以看出改变这些参数的等效值可以调节变换器的增益，控制一些开关进行模式转换，进而拓宽电压增益的范围。

在改变Lm的方案中，包括在谐振腔内增加一个额外的变压器及其副边整流器[31]，还有通过辅助电路的方式改变Lm的等效值[32]。图11、图12依次给出了这类方案的电路拓扑。

图11 两变压器LLC变换器

图12 可变电感的改进型LLC变换器

文献[29]是通过控制双向开关的方式来使辅助的变压器及其整流电路接入主电路，这样改变Lm的等效值，从而提高了变换器的增益。文献[32]是通过在功率变压器增加辅助绕组及其辅助电路，然后控制辅助电路上的开关管向功率变压器注入的偏置电流，改变其磁导率的方式实现可变电感，进而改变LLC变换器的增益。但这两个方案会在模式转换期间存在过冲问题。此外，额外的变压器和整流电路会增加变换器的损耗和体积。

图13为改变电容的改进型LLC变换器的一种电路图，在改变电容的方式里，文献[33-34]利用辅助电容与谐振腔中的谐振电容串联或并联，控制其辅助开关管的占空比调节变换器谐振腔里的谐振电容等效值，进而改变变换器的增益，拓宽LLC变换器输入电压范围。

图13 可变电容的改进型LLC变换器

根据文献[27]提出的一种向谐振腔注入更多能量的方式，文献[35]中提出了一种在谐振腔中添加辅助开关管的电路(图14)，在保持时间内可以定频控制辅助开关管占空比的方式向谐振电感注入更多 的能量，增加LLC变换器的输出功率，进而提高了变换器的增益，保持稳定输出一段时间。该方案在保持时间的模式时只有谐振电感的阻抗，所以相对文献[27]的电路有着更高的增益，并且控制简单。但其在此期间同样存在一定的偏磁现象。文献[36]中提出的思路(图15)与文献[35]一致，相较前者，文献[36]在正负周期内都能通过辅助开关管向谐振腔内注入更多能量，从而有着更高的增益特性。

图14 文献[35]中提出的改进型LLC变换器

图15 文献[36]中提出的改进型LLC变换器

4 结论与展望

本文针对传统LLC变换器输入电压范围窄导致掉电后保持时间短的问题，对适用于掉电保持输出的宽输入范围LLC变换器拓扑进行了全面概述。

基于常规结构的最新型宽增益LLC解决方案旨在减小开关频率范围甚至在定频的同时，能提高变换器的增益，从而扩展了输入电压的范围。根据这些方案可以将其分为四类：控制策略的修改、初级侧开关网络的修改、二次侧整流器的修改和谐振腔的修改。第一种类型的修改是一些无需额外组件的控制策略，而该方案可能会引入一些问题，例如增益提高偏小和通过Lm的直流偏置电流引起磁性原件易饱和问题。第二种类型是通过辅助电路调整其初级侧的等效电压。第三种是将副边改进成多整流绕组或者可变整流器结构，因此控制和设计相对简单。但是引入了模式转换时额外的开关和传导损耗问题。最后一种是通过调整变换器的一些谐振参数的等效值或者控制额外的开关向变换器注入更多的能量。它控制方式相对简单，但是在设计变换器参数时变得相对复杂。

对于保持时间内的操作，由于很少发生且持续时间短，因此引入额外的补偿模式是一种比较好的方式，文献[27-30，35-36]中提出的方案在正常模式下可以保留其高效率，对变换器的体积也不会造成过多影响，并在保持时间的模式下控制简单。对功率大、功率密度要求不高的条件下，文献[18，25-26]中提出的方案也是不错的参考建议。

随着LLC谐振变换器的发展，越来越多的学者对此进行研究，其掉电保持能力的不足逐渐得到了改善，LLC谐振变换器在各个领域有着更加广泛的应用前景。