楊云霞

（合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥）

引言

本研究所設(shè)計(jì)的5G 基站用的通訊電源模塊，3 KW 功率，輸入220 V，可以給基站電池組（包含各種鋰電池和鉛酸電池）進(jìn)行充電，同時(shí)可以為基站提供電力供應(yīng)。輸出接72 V 電池，充電電流最大40 A，可以進(jìn)行N+1 冗余設(shè)計(jì)和使用。在任意一個(gè)模塊停止的情況下，不會(huì)出現(xiàn)基站停機(jī)的現(xiàn)象，保障通訊良好。由于為基站通訊做保障，整機(jī)效率不低于94%。電源紋波低于100 mVP-P（峰-峰值）[1]。

1 整體回路的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)本電源之前，我們對(duì)以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較和分析：

（1） 全橋移相電路。移相全橋電路實(shí)際測(cè)量效率值如表1 所示，根據(jù)測(cè)量結(jié)果得知，不滿足本次設(shè)計(jì)中關(guān)于效率部分的要求[2]。

表1 全橋移相電路效率值

（2） LLC 全橋電路。LLC 全橋電路如圖1 所示。

圖1 LLC 全橋結(jié)構(gòu)電路

（3） LLC 半橋電路。LLC 半橋電路如圖2 所示。

圖2 LLC 半橋結(jié)構(gòu)電路

圖3 LLC 諧振電路幅頻特性

（4） 全橋半橋方案對(duì)比效果如表2 所示。

表2 全橋半橋方案對(duì)比效果

表3 變壓器方案對(duì)比效果

從方案對(duì)比中可以看出，全橋LLC 電路在輸出瞬間開路空載的情況下，不具備自鉗位功能。即在滿載時(shí)，如果出現(xiàn)負(fù)載突然斷開的極端情況，那么在諧振狀態(tài)下的主回路會(huì)輸出一個(gè)非常高的Q 倍電壓，設(shè)備就會(huì)變得非常危險(xiǎn)。而半橋LLC 電路具備自鉗位功能，不容易引起災(zāi)害。因此，本項(xiàng)目采用半橋LLC 電路作為主拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。諧振點(diǎn)設(shè)定在100 KHz。

2 主回路中電容的容值計(jì)算

主諧振回路中的電容具有隔離直流的作用，因此在LLC 電路中，主變壓器和電感器中不存在由于直流電流產(chǎn)生的磁偏現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)中占空比可以按最大設(shè)計(jì)而無需補(bǔ)償。這是一個(gè)非常重要的參數(shù)，回路中頻率參數(shù)L 和C 決定了諧振頻率和功率。半橋電路中電壓是母線400 V 電壓的1/2，即200 V，因此需要確定諧振主回路中C 的最小參數(shù)。先以最簡化方式進(jìn)行計(jì)算，不考慮系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間，不考慮實(shí)際功率余量[3]。在諧振狀態(tài)時(shí)，諧振槽路的最小電容值：

在實(shí)際選取電容參數(shù)時(shí)，考慮到死區(qū)時(shí)間500 nS，同時(shí)來自PFC 電路的輸入電壓取值在380 V～400 V 之間，最低值按直流380 V 考慮，且考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率余量，最大設(shè)計(jì)承受能力大于3.6 KW，故使用了兩個(gè)0.15 uF/630 V 的高精度CBB-MKP 電容并聯(lián)，總?cè)萘繛?.3 uF，并且使用了散熱效果最好的扁平封裝產(chǎn)品。

3 主回路中電感的計(jì)算設(shè)計(jì)

（1） 主回路諧振電感的計(jì)算

在進(jìn)行諧振電感的計(jì)算前，LLC 電路諧振電感有兩種方式：

（2） 主回路諧振的電感設(shè)計(jì)

①磁性材料：選取了PC40 材質(zhì)的PQ4040 鐵氧體作為載體。該材質(zhì)在非飽和狀態(tài)下感值穩(wěn)定不變化，工作在非飽和狀態(tài)，散熱良好即可[4]。

②漆包線選材：由于電感峰值電流接近32 A，平均電流16 A，而且工作頻率F=100 KHz 很高，集膚效應(yīng)嚴(yán)重，故采用0.1×250 的高頻漆包線雙線并繞，并且，銅線裸露，方便散熱。

③圈數(shù)，感值和氣隙：這三個(gè)參數(shù)互相影響，相互約束。在綜合考慮這幾個(gè)因素前提下，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，圈數(shù)選取9 圈，感值11 uH，氣隙經(jīng)過研磨，大約在0.46 mm。滿足了系統(tǒng)對(duì)這幾項(xiàng)參數(shù)的要求。

4 主回路中變壓器的設(shè)計(jì)

在LLC 電路中，變壓器傳輸功率大，傳輸頻率非常高，磁能交換的同時(shí)還要保證實(shí)現(xiàn)MOS 管的軟開關(guān)狀態(tài)。

（1） LLC 工作狀態(tài)

LLC 工作示意如圖4 所示。由于半橋電路上下兩路控制對(duì)稱且相同，故只分析一半的工作狀態(tài)，另外一半相同，不再贅述。

圖4 LLC 工作示意

狀態(tài)1：開關(guān)管Q1 導(dǎo)通，電流通過Q1 流過Cr，Ls 和Lp，電容Cr 充電，電感Ls和Lp 充磁，形成諧振波形正半周。

狀態(tài)2：開關(guān)管Q1 關(guān)斷，Cr、Ls 和Lp 形成諧振電流，Q2 的體二極管被打開，Q2 導(dǎo)通。Q2 實(shí)現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)。

狀態(tài)3：開關(guān)管Q2 導(dǎo)通，Cr、Ls 和Lp 形成諧振電流負(fù)半周。

狀態(tài)4：開關(guān)管Q2 控制信號(hào)關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，但是由于Q2 體二極管并沒有關(guān)斷，其關(guān)斷時(shí)間由Trr 實(shí)現(xiàn)，所以，Q2 還是導(dǎo)通的。此時(shí)Cr、Ls 和Lp 形成諧振電流還是負(fù)半周，形成的弱小電流將Q2 體二極管關(guān)閉。

狀態(tài)5：開關(guān)管Q2 體二極管關(guān)閉后，還需要一點(diǎn)很弱小的電流繼續(xù)由諧振回路回流到開關(guān)管，由于Q2 已經(jīng)徹底關(guān)閉，這個(gè)很小的電流會(huì)使開關(guān)管Q1 體二極管被打開，在沒有驅(qū)動(dòng)的情況下導(dǎo)通。Q1 實(shí)現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)。

（2） 變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)

從上面的分析看出，每個(gè)周期，變壓器要傳輸功率，變壓器必須工作在線性范圍內(nèi)，在磁場中就必須有一個(gè)磁化電流，同時(shí)還要與諧振電感和諧振電容形成諧振電流，這個(gè)諧振電流不但需要在死區(qū)時(shí)間去關(guān)斷已經(jīng)開通的MOS 管，還要在諧振結(jié)束前，打開另外一個(gè)MOS 管，用來形成ZVS（Z 零V 電壓S 開通）。

①K 取值，電感值：根據(jù)以上分析，LLC 電路MOS管在死區(qū)電流接近過零時(shí)，體二極管是反向?qū)ǖ?。所以，在諧振回路中，即便是正常工作情況下，需要一個(gè)比較大的磁化電流。于是LLC 變壓器的自身電感相比于其他電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的自感小很多。K（變壓器自感與諧振電感比值）一般取4～7，本次設(shè)計(jì)為了盡量提高效率，采用K=7～8，即自感為84 uH±2 uH。

②圈數(shù)：本設(shè)計(jì)目標(biāo)是72 V 的輸出電壓。母線電按380 V 計(jì)算，則380×10/12/2/2×0.95=75。

采用雙變壓器，原邊串聯(lián)自感為42 uH±1 uH 副邊并聯(lián)，確定變比應(yīng)該在12:11 或者12:10，于是做了兩組變壓器，最終確定12:11 表現(xiàn)更好，輸出額定電壓74 V剛好滿足了設(shè)備需要。

5 主回路中MOS 管和驅(qū)動(dòng)電路的選型及注意事項(xiàng)

LLC 電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于工作頻率非常高、效率非常高，但也帶來相應(yīng)的設(shè)計(jì)問題。本次設(shè)計(jì)的諧振點(diǎn)頻率F=100 KHz,單個(gè)LLC 組件功率在3 KW 以上，相對(duì)比較大。由于是半橋結(jié)構(gòu)，傳輸電壓200 V，平均電流達(dá)到16 A，峰值電流1.7×16=27 A，變壓器為了能夠工作在諧振狀態(tài)，需要一個(gè)比較大的磁化電流，預(yù)估能達(dá)到1 A，實(shí)際峰值電流接近30 A，這就要求必須使用大功率的MOS 管以及配套性能足夠好的大功率驅(qū)動(dòng)電路。由于LLC 工作過程中存在體二極管導(dǎo)通并參與諧振，電流在體二級(jí)管中存在反向流動(dòng)的特性，不但要考慮MOS管自身的一些問題，同時(shí)體二級(jí)管參數(shù)也變得非常重要。由此，合理地選擇MOS 管和驅(qū)動(dòng)電路非常重要。

（1） 頻率問題

本次設(shè)計(jì)的LLC 電路工作在F＞F0 的區(qū)間，最高頻率設(shè)置在350 KHz，250 KHz 以上斷續(xù)打嗝方式輸出。在100 KHz 時(shí)，周期為10 uS，半個(gè)周期為5 uS。所以，MOS 管必須能夠以相當(dāng)快的速度開通和關(guān)斷。普通的低速M(fèi)OS 已經(jīng)無法達(dá)到這樣的工作頻率，而MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路用高頻驅(qū)動(dòng)管子，驅(qū)動(dòng)電流一定要足，速度要快。

（2） 死區(qū)時(shí)間

在LLC 電路中，由于開通時(shí)間非常短，而死區(qū)中出現(xiàn)多次換流現(xiàn)象，死區(qū)時(shí)間中，諧振電流要消耗掉已經(jīng)開通的MOS 管中的體二級(jí)管的載流子。

本次設(shè)計(jì)采用了TI 公司專門為高速M(fèi)OS 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片UCC27424，其單路驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到4 A，納秒級(jí)的開關(guān)速度，并聯(lián)使用，可以加倍驅(qū)動(dòng)電流，完全滿足了高速、高功率的驅(qū)動(dòng)要求[5]。

6 整流回路中的參數(shù)選擇: 同步整流或者二極管整流

輸出電壓額定值為72 V 但是實(shí)際充電電壓最高可以達(dá)到83 V，同步整流所采用的MOS 管應(yīng)當(dāng)為耐壓600 V 的管子，以47N60C3 為例，導(dǎo)通電阻0.07 歐，導(dǎo)通壓降0.07×40=2.8 V，導(dǎo)通電壓高于二極管整流，產(chǎn)生的熱損耗高于二極管整流。故采用APT60DQ60 作為輸出整流二級(jí)管。其主要的特性如下：

足夠快的關(guān)斷時(shí)間，在主回路死區(qū)時(shí)間內(nèi)，完成自動(dòng)反向關(guān)斷。

低導(dǎo)通電壓，開通后發(fā)熱量小，效率高，并且有足夠的輸出電流余量。

結(jié)束語

為能夠?qū)⒏邏航涣麟姽β兽D(zhuǎn)換成可變電流和可變電壓的直流電功率，本研究采用APFC 和LLC 電路實(shí)現(xiàn)功率和隔離的轉(zhuǎn)換下，降低了損耗，具有廣泛的應(yīng)用前景。