張立新，王旭東，李鑫，姜潤澤（.哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱50080；.中國人民解放軍6546部隊，黑龍江哈爾濱5000）

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基于半橋LLC諧振式通信電源的設計

張立新1，王旭東1，李鑫1，姜潤澤2
（1.哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080；
2.中國人民解放軍65426部隊，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：隨著4G網(wǎng)絡的普及，人們越來越對網(wǎng)絡的便捷性產生依賴，這也對通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和實時性有了更高的要求。通信電源作為通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障，其可靠性也備受行業(yè)關注。設計及制作一款基于半橋LLC諧振式通信電源，以供通信設備使用，該通信電源具有兩級結構，為APFC+LLC結構。有源功率因數(shù)校正電路的拓撲結構采用Boost作為主拓撲，電路工作在CCM模式，使該通信電源能夠達到較高的功率因數(shù)，并且有效地降低了輸入電流諧波的含量。軟開關DC/DC變換器采用半橋LLC作為主拓撲，軟開關DC/DC變換器主要通過諧振來實現(xiàn)，在半橋或者全橋變換器的基礎上加上諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)零電壓開通或者零電流的關斷，設計時我們選擇半橋LLC諧振變換器，利用適當?shù)闹C振電路設計使輸出電壓穩(wěn)定。最后制作了功率為360 W的通信電源，經(jīng)過仿真驗證該通訊電源效率很高。

關鍵詞：通信電源；功率因數(shù)校正（APFC）；半橋LLC諧振；軟開關

本通信電源系統(tǒng)將輸入工頻50 Hz正弦交流電通過輸入EMI及全橋整流電路轉換為脈動的直流電。后級功率變換部分采用2級結構：第1級采用APFC電路，采用Boost升壓拓撲結構，使其工作在CCM連續(xù)工作狀態(tài)下，滿足功率因數(shù)達到95%以上的要求，達到國際規(guī)范要求；第2級為DC/DC變換電路，采用半橋LLC諧振作為拓撲結構，能夠實現(xiàn)變壓器原邊功率管的零電壓開通（ZVS）變壓器副邊整流二極管的零電流關斷（ZCS）。這樣可以使開關管工作在軟開關狀態(tài)，提升效率，達到效率所需要求。2級電路及輸入都具有保護及專門的控制芯片來滿足電源的可靠性要求。半橋LLC諧振式通信電源系統(tǒng)結構見圖1。

圖1　半橋LLC諧振式通信電源系統(tǒng)結構Fig.1 The system structure of half-bridge LLC resonant type communication type power supply

1　通信電源APFC拓撲結構設計

傳統(tǒng)的AC-DC變換器和開關電源，其輸入電路普遍采用了全橋二極管整流輸出端直接接大電容濾波器。雖然不可控整流器電路簡單可靠，但它們產生的高峰值電流，使輸入端電流波形發(fā)生嚴重畸變，使交流電網(wǎng)側的功率因數(shù)下降到0.5～0.65，無功損耗過大，因此必須引入功率因數(shù)校正電路。

功率因數(shù)校正技術主要包括兩種：無源PFC技術和有源PFC技術。由于無源PFC需要大電容以及大電感與其連接，因為其體積很大而且效果不是很好，故本系統(tǒng)采用專門APFC芯片控制的功率因數(shù)校正電路作為第1級的拓撲結構。有源APFC采用Boost作為主拓撲結構，采用CCM模式下平均電流控制策略。他的優(yōu)點是電流環(huán)有較高的增益寬度、跟蹤誤差小、瞬態(tài)特性較好、THD（＜5%）和EMI小、對噪聲不敏感、開關頻率固定、適應于大功率應用場合，其缺點是參考電流與實際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，從而可能會產生低次電流諧波。

本系統(tǒng)采用Unitrode公司生產的APFC專用芯片UC3854。它是開發(fā)最早、應用最廣泛的芯片，也是該類芯片中的典型產品。其主電路如圖2所示，Boost變換器由晶體管Q1、電感L1、二極管D1和輸出電容Co組成?？捎射忼X波電壓發(fā)生器的頻率fs=1.25/（R14C1）確定開關頻率，由圖騰柱輸出Q2和Q3來控制功率開關管Q1的導通和關斷。導通時間從對應時鐘脈沖將FF1（觸發(fā)器1）置位開始。當接于脈寬調制器（PWM）同相輸入端的鋸齒波比線性電流放大器EA2輸出端（3腳）的直流電壓高時將FF1復位，這時導通截止。3腳的電壓是Rs的電壓和R2的電壓瞬間差值的正向放大電壓。主電路可通過開關管脈寬調制控制導通時間，將橋式整流器輸出的正弦半波電壓升壓為恒定的直流輸出電壓，這也使輸入電網(wǎng)電流波形成為正弦波并與輸入電網(wǎng)電壓同相位。

圖2　UC3854構成的功率因數(shù)校正電路框圖Fig.2 Power factor correction circuit diagram of UC3854

PFC5腳的輸出電流是連續(xù)的正向正弦半波，其幅值在任何瞬時都與A點直流電壓和輸入6腳的電流值成比例。PFC6腳的輸入是與整流橋輸出的正弦半波電壓同相位的正弦半波電流基準。因此，PFC5腳的電壓是與整流橋輸出的正弦半波電壓同相位的連續(xù)正弦半波曲線，其幅值與誤差運放EA1的輸出電壓成比例。

在每個正弦半波的所有時刻上，通過使Rs的壓降與R2的升壓近似相等來使電網(wǎng)電流波形成為正弦波。1個開關周期內Rs的平均電流等于同一周期內的電網(wǎng)輸入平均電流。這是因為電網(wǎng)電流等于Q1導通時流過Q1的電流和Q1關斷時流過D1的電流的和。因此，當使Rs的壓降等于R2的升壓時，電網(wǎng)電流波形也是正弦半波且與整流橋輸出的電壓波形同相位。因為有大電感的Boost變換器工作在連續(xù)模式，所以1個開關周期內的紋波電流很小。

在半個周期里，當Rs的壓降等于R2的升壓時，因為R2的電壓波形是平滑的正弦半波，所以流過Rs的電流也是平滑的正弦半波，只有很小的開關頻率紋波。很大程度地提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2　通信電源LLC諧振變換器拓撲結構設計

本文研究的核心是實現(xiàn)通信電源的高效率和穩(wěn)定性，以滿足通信設備要求。只是憑借低損耗低導通壓降的功率管來實現(xiàn)是遠遠不足的，我們要著手于采用更高效的拓撲結構來實現(xiàn)，現(xiàn)在主流的諧振變換器之所以得到重視和研究，是因為在諧振時電流或電壓周期性過零，利用這一點實現(xiàn)軟開關，可以降低開關損耗，提高功率變換器的效率，故本系統(tǒng)采用LLC諧振變換器作為主功率變換器。

圖3所示為本系統(tǒng)功率部分LLC諧振變換器的原理圖。對于LLC電路，存在2個諧振頻率：

圖3　LLC諧振變換器原理圖Fig.3 The schematic diagram of LLC resonant converter

為了增加變換器整體效率，還需要兼顧變壓器副邊整流二極管的功耗。當開關管工作頻率fr1＞fs＞fr2時，可以使副邊整流二極管工作在ZCS狀態(tài)，防止其關斷時的反向恢復現(xiàn)象，大大增加了整體的效率。

通過圖4分析各階段LLC諧振變換器的工作過程，圖5給出了各階段工作波形圖，各階段工作過程分析如下。

t0＜t＜t1階段。t0時刻，Q2恰好關斷，諧振電流Ir＜0，IDR1=0。Ir流經(jīng)D1，使VQ1

=0,為Q1的ZVS開通創(chuàng)造條件。在這個過程中，PWM信號加在Q1上使其ZVS開通。這時Vin加在諧振腔上，Ir增大為0，在這個過程中，由電磁感應定律知，同名端為“+”，副邊DR1導通，此時副邊電壓即為輸出電壓。反推過去，原邊電壓即為恒定值（NpV0/ns），則Lm處于恒壓儲能狀態(tài)，其電流線性上升。

圖4　LLC諧振變換器各階段工作過程Fig.4 Variousphases of the LLC resonant converter process

圖5　LLC諧振變換器各階段工作波形Fig.5 Various phases of LLC resonant converter waveforms

由上式可知，顯然fr1＞fr2，由直流特性曲線可知，當開關頻率fs＞fr2時MOSFET工作在ZVS區(qū)域，對于MOSFET而言，ZVS模式下開關損耗較ZCS模式要小。在輕載時，LLC諧振變換器的開關頻率變化很小，即使在空載時它也具備零電壓開關能力。

t1＜t＜t2階段。t0—t1時段，Q1已經(jīng)導通。諧振電流Ir從0開始以近似正弦規(guī)律增大，副邊DR1依然導通，副邊電壓即為輸出電壓，那么原邊電壓是恒定值（npV0/ns），且電流ILm線性上升。此時工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，即Lr與Cr串聯(lián)諧振，Lm上電壓由于被鉗位而只作為負載不參與諧振。

t2＜t＜t3階段。t2時刻，Inp=0,則副邊電流也為0，即DR1

實現(xiàn)ZCS關斷，不存在反向恢復的問題。在這個時段，Q1依然導通。這時（Lm+Lr）與Cr形成串聯(lián)諧振，由于時間較短，而且（Lm+ Lr）也很大，認為電流保持不變，Ir=ILm。在t3時刻，Q1關斷，電流Ir（大于0）為ZVS開通Q2創(chuàng)造條件。從這個模態(tài)可知，MOSFET的關斷電流即為激磁電流，通過變壓器的合理設計，使激磁電流比負載電流小得多，那么可以降低開關損耗。同時可知，ZVS開通是由于激磁電流所得，此時變壓器原副邊斷開，與負載電流無關，那么即使在零電流負載的條件下也能實現(xiàn)ZVS開通。由于下半周期的工作狀態(tài)和上半周期一致，這里不再闡述。

3　仿真分析

為了驗證本方案的可行性與實效性，對LLC半橋諧振式變換器進行仿真分析與驗證。采取開關頻率工作在fr1＞fs＞fr2時，可以實現(xiàn)原邊功率管工作在ZVS狀態(tài)，副邊二極管工作在ZCS狀態(tài)?？梢院艽蟪潭鹊販p小開關損耗，增加通信電源的整體效率。

圖6　系統(tǒng)仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the system

圖6為SABER仿真波形，依次為諧振回路電流波形和諧振電感波形、MOSFET驅動波形、副邊整流管電壓波形、副邊整流管電流波形、全波整流輸出波形。仿真結果證明了理論推導的正確性。

4　結論

本文圍繞半橋LLC諧振式通信電源設計了主電路拓撲結構以及PFC有源功率因數(shù)校正的設計。

通過引入諧振電感和諧振電容來實現(xiàn)功率管的軟開關作用，實現(xiàn)了LLC諧振變換器，很大程度地增加了整個系統(tǒng)的高頻化、高效率的性能要求。并通過控制功率管開關頻率在fr1＞fs＞fr2之內，實現(xiàn)原邊功率管的零電壓開通（ZVS），副邊整流二極管的零電流關斷（ZCS），提高了整個通信電源的效率。

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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

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

作者簡介：張立新（1990-），男，碩士研究生，Email：1059140752@qq.com

收稿日期：2015-09-02