王 棟，程 楊，賈 強

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

近30年來，電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍工、航天、通信以及計算機等領(lǐng)域。DC/DC變換技術(shù)作為電力電子技術(shù)的核心技術(shù)之一，主要用于直流電壓的變換。隨著科技的進(jìn)步，人們對DC/DC變換器的要求越來越高。早期的DC/DC變換器體積過大，不能滿足應(yīng)用需求。為了解決變換器體積過大的問題，提出了提高變換器工作頻率的方法。然而，高頻化的DC/DC變換器雖然減小了體積，但增加了開關(guān)損耗。軟開關(guān)技術(shù)的提出，有效解決了這個問題。軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用諧振的原理，使開關(guān)器件中的電流（或電壓）按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零（或電壓為零）時使器件關(guān)斷（或開通），從而減少開關(guān)損耗。

當(dāng)今DC/DC變換器日益趨向小型化、輕量化和高效化，諧振變換器的概念得以提出。它能夠在實現(xiàn)變換器輕量化、小型化的同時，減小其制作成本，提高使用效率。諧振變換器利用軟開關(guān)原理實現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓（零電流）開關(guān)，極大地減小了變換器的開關(guān)損耗，使得變換器的開關(guān)頻率進(jìn)一步提升，為DC/DC變換器提供了更加廣闊的應(yīng)用空間。諧振變換器具有寄生參數(shù)兼容、軟開關(guān)性能好等優(yōu)點，但其本身也存在一定的復(fù)雜性。與傳統(tǒng)變換器不同，它的能量傳遞利用復(fù)雜的諧振回路來實現(xiàn)。LCC諧振變換器作為一種三元件諧振電路，諧振回路存在多種諧振過程，工作過程比較復(fù)雜。此外，LCC諧振變換器結(jié)合了SRC和并聯(lián)諧振變換器PRC的優(yōu)點，目前主要應(yīng)用于數(shù)碼、醫(yī)療、武器裝備和通信電源等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

諧振變換器由逆變網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)和整流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。逆變網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)不同的應(yīng)用場合、輸入電壓和功率，選擇全橋、半橋等電路；諧振網(wǎng)絡(luò)一般由電感和電容組成，通過兩種器件的諧振實現(xiàn)軟開關(guān)，并通過其軟開關(guān)特性降低損耗，提高頻率；整流電路一般分為倍壓整流、全波整流、全橋整流和倍流整流等電路。

按照諧振元件參與能量轉(zhuǎn)換的程度，諧振變換器分為全諧振型變換器、準(zhǔn)諧振型變換器和多諧振型變換器。對全諧振變換器按照諧振元件進(jìn)行分類，常見的諧振變換器有串聯(lián)諧振變換器、并聯(lián)諧振變換器、LCC諧振變換器和LLC諧振變換器。

1 LCC諧振變換器

1.1 LCC諧振變換器簡介

LCC諧振變換器電路拓?fù)洌鐖D1所示，特點是諧振網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)諧振電感Ls、串聯(lián)諧振電容Cs和并聯(lián)諧振電容Cp三個諧振元件組成。由圖1可以看到，LCC諧振變換器是SRC和PRC的結(jié)合，綜合了這兩種變換器的優(yōu)點，使其在某些頻率范圍內(nèi)存在SRC的優(yōu)點，而在其他頻率范圍內(nèi)又具有PRC的優(yōu)點，電壓調(diào)節(jié)范圍較寬，且具有良好的抗負(fù)載短路和開路性能。LCC諧振變換器在負(fù)載較重時，電路特性接近SRC；負(fù)載較輕時，電路特性接近于PRC。在使用LCC諧振變換器時，根據(jù)應(yīng)用場合的不同可選擇不同的濾波電路。比如，在一些高電壓輸出場合，一般使用電容濾波。當(dāng)變壓器匝比較大時，諧振電容Cp可由匝間電容代替，以減少變壓器寄生參數(shù)對電路特性的影響。在LCC諧振變換器中，變壓器的勵磁電感不參與諧振，使其變壓器相較于LLC諧振變換器來說比較容易制作。

圖1 LCC諧振變換器電路拓?fù)?/p>

1.2 諧振變換器控制策略

對于LCC諧振變換器來說，確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，一般通過優(yōu)化開關(guān)器件的控制方式來提高其軟開關(guān)性能。它的控制主要分為兩大類，即變頻控制和定頻控制。

通過改變驅(qū)動信號的頻率改變諧振變換器輸出電壓且維持變換器開關(guān)管的ZVS的控制策略，被稱為變頻控制。為了軟開關(guān)的實現(xiàn)，變頻控制的諧振變換器可能會出現(xiàn)較寬的頻率變化范圍，使磁性元件的利用率變低。此外，過高的開關(guān)頻率會引起較大的電磁兼容問題。

定頻控制主要包括移相控制和占空比控制。對于定頻移相控制策略來說，通過滯后橋臂對于超前橋臂的移相角控制輸出電壓和變換器的軟開關(guān)實現(xiàn)情況。對于定頻占空比控制策略來說，通過改變開關(guān)管驅(qū)動信號的占空比實現(xiàn)對輸出電壓和變換器的軟開關(guān)實現(xiàn)的控制。除了這兩種控制方式，還有一種新興的控制方式，即自激移相控制方法。它主要是將自激振蕩控制[1]與移相控制相結(jié)合，利用諧振電流的特征來提供開關(guān)管驅(qū)動信號，能夠根據(jù)電路變化實時自適應(yīng)改變驅(qū)動信號，以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小。這種控制方法與傳統(tǒng)的移相控制相比，對變換器的軟開關(guān)特性和輸出電壓調(diào)節(jié)能力都有較大提高。

工程應(yīng)用中，定頻控制策略相較變頻控制策略具有較高的應(yīng)用率，因為它的操作比較簡單且缺點較少。因此，研究定頻控制的優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實意義[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種不對稱控制模式，優(yōu)點是可以提高變換器ZVS范圍，不足是只介紹了其在高功率變化范圍內(nèi)的實驗結(jié)果，對于低功率時控制模式的效果暫不清楚。文獻(xiàn)[4]分別介紹了三種控制模式，即不對稱占空比控制、不對稱電壓控制以及定頻移相控制。文獻(xiàn)[5]針對上述三種控制方式，分別應(yīng)用在SRC上進(jìn)行效果的對比分析。在LCC諧振變換器中，應(yīng)用不對稱控制策略的效果是一個有意義的問題。除了上述兩種控制方式以外，近些年還出現(xiàn)了雙頻率調(diào)制、脈沖序列調(diào)制等控制策略。

2 LCC諧振變換器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來，由于諧振變換器能夠減小開關(guān)損耗，提高工作頻率，使變換器進(jìn)一步小型化，得到了人們的廣泛關(guān)注。相較之前的硬開關(guān)PWM開關(guān)變換器來說，它使電源變得更加高效高能，正因為如此，諧振變換技術(shù)得到了飛速發(fā)展[6]。SRC和PRC作為諧振變換器的基礎(chǔ)，存在缺點：SRC輕載時電路穩(wěn)定性較差；PRC的諧振電流相對偏大，對變換器的效率影響很大。因此，如何改善諧振變換器的缺點成為學(xué)者們研究的重點。此時，更多人把研究重點放在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新上。20世紀(jì)90年代初，LCC諧振變換器應(yīng)運而生。隨后，針對LCC諧振變換器的研究大大增多，焦點主要集中在以下三點：一是閉環(huán)控制器設(shè)計時小信號模型的建立；二是變換器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計；三是LCC諧振變換器與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振變換器在不同場合的應(yīng)用對比情況。

20世紀(jì)90年代LCC諧振變換器剛剛問世，大部分研究停留在理論階段，實際生產(chǎn)應(yīng)用中由于制作工藝、控制方法沒有得到充足發(fā)展，所以并沒有得到大范圍的推廣使用。經(jīng)過近10年的發(fā)展，LCC諧振變換器展現(xiàn)出了良好的性能，在高頻高壓領(lǐng)域具有高效率、低噪聲的優(yōu)點。變壓器寄生電容充當(dāng)并聯(lián)諧振電容，使其諧振元件減少。與此同時，國內(nèi)外LCC的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)變到過流保護開發(fā)、同步整流以及磁集成技術(shù)等方面。經(jīng)過前人的不懈努力，LCC諧振變換器的應(yīng)用場合已經(jīng)不再受限，現(xiàn)已應(yīng)用在高頻大功率場合。

2002年后，LCC諧振變換器開始進(jìn)入國內(nèi)研究人員的視線。除了一些電源公司分別將LCC諧振變換器申請專利，各大高校也對LCC諧振變換器進(jìn)行了大量研究。有大量學(xué)者提出了一些LCC諧振變換器的延伸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化了在相關(guān)領(lǐng)域上的適用性和高效性。例如，文獻(xiàn)[7]提出了一種雙LCC諧振變換器，如圖2所示，采用電路疊加法對其進(jìn)行分析，同時提出了一種參數(shù)優(yōu)化方法實現(xiàn)全橋逆變器的ZVS。雙LCC結(jié)構(gòu)不僅具有初級電流常數(shù)的LCL拓?fù)涮匦裕揖哂型昝赖膶ΨQ性，設(shè)計過程簡單，可在固定頻率點操作，達(dá)到了要求的功率因數(shù)，且電壓和電流應(yīng)力很小。因此，雙LCC補償結(jié)構(gòu)成為電感耦合能量傳輸系統(tǒng)（Inductively Coupled Energy Transmission，ICPT）中的有效拓?fù)鋄8]，主要應(yīng)用在物流運輸、醫(yī)療裝備、電子產(chǎn)品和電動汽車等方面，應(yīng)用前景非常廣闊。

圖2 雙LCC諧振變換器

文獻(xiàn)[9]提出了一種帶電容輸出濾波器的電流饋電隔離式LCC-T諧振DC/DC變換器，旨在通過ZVS降低開關(guān)管損耗以提高變換器效率，同時實現(xiàn)了所有二極管的ZCS導(dǎo)通，最大程度提高了變換器的效率。文獻(xiàn)[10]介紹了基于LCC-T諧振變換器的無線電源傳輸技術(shù)（Wireless Power Consortium，WPC），可應(yīng)用于小功率場合（如用于移動電話無線充電器），也可應(yīng)用于大功率場合（如電動車輛），具有較寬的應(yīng)用范圍。圖3為LCC-T型諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在LCC諧振變換器前，WPC也嘗試著與串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振等諧振變換器結(jié)合，但是效果不理想?；贚CC-T諧振變換器的WPC能夠在設(shè)計合理的情況下實現(xiàn)高效率，實驗結(jié)果能夠達(dá)到94.9%的效率。文獻(xiàn)[11]提出了一種新穎的LCC/S補償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有可調(diào)恒定增益和零電壓開關(guān)導(dǎo)通的優(yōu)點。

迄今為止，對比之前提出并分析的大量的單相諧振變換器而言，對于三相諧振轉(zhuǎn)變器的研究相對比較少。最近，具有高頻隔離變壓器的三相LCC型諧振變換器受到了很多關(guān)注，它們固有的優(yōu)點是：低開關(guān)損耗、高開關(guān)頻率下高功率工作的能力、濾波器元件尺寸的減小以及諧振電感器的值和尺寸的減小。文獻(xiàn)[12-13]提出了一種帶電容輸出濾波器的新型三相LCC型諧振變換器，如圖4所示。除了上面列出的優(yōu)點之外，以下是所提出的變換器的獨特優(yōu)點：（1）由于消除了濾波電感降低了成本；（2）輸出整流器可以在ZCS模式下工作，消除了反向恢復(fù)損耗，,是電感濾波器無法實現(xiàn)的；（3）高頻隔離變壓器可以是單個三相單元或三個單獨的單元，具體取決于功率水平的高低和材料可用性。與三個獨立的變壓器相比，單個三相隔離變壓器的優(yōu)點是尺寸減小、成本較低、鐵芯損耗較低等。

圖3 LCC-T型諧振變換器

圖4 三相LCC諧振轉(zhuǎn)換器

3 結(jié) 論

隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，LCC諧振變換器已經(jīng)成為高頻高壓領(lǐng)域裝備電源的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼、軍工、船舶、航天等各行各業(yè)，且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，以DSP、ARM等技術(shù)為核心控制技術(shù)的LCC諧振變換器有著很大的研究空間，今后LCC諧振變換器一定會有更加寬廣的應(yīng)用前景，會在DC/DC變換領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。