LCC諧振變換器研究現(xiàn)狀的綜述

王 棟，程 楊，賈 強(qiáng)

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019）

近30年來(lái)，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(jì)算機(jī)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(duì)DC/DC變換器的要求越來(lái)越高。早期的DC/DC變換器體積過(guò)大，不能滿足應(yīng)用需求。為了解決變換器體積過(guò)大的問(wèn)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(kāi)關(guān)損耗。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的提出，有效解決了這個(gè)問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用諧振的原理，使開(kāi)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(guò)零（或電壓為零）時(shí)使器件關(guān)斷（或開(kāi)通），從而減少開(kāi)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(shí)現(xiàn)變換器輕量化、小型化的同時(shí)，減小其制作成本，提高使用效率。諧振變換器利用軟開(kāi)關(guān)原理實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的零電壓（零電流）開(kāi)關(guān)，極大地減小了變換器的開(kāi)關(guān)損耗，使得變換器的開(kāi)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(kāi)關(guān)性能好等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)實(shí)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(guò)程，工作過(guò)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(diǎn)，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(chǎng)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(guò)兩種器件的諧振實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，并通過(guò)其軟開(kāi)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(duì)全諧振變換器按照諧振元件進(jìn)行分類，常見(jiàn)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(jiǎn)介

LCC諧振變換器電路拓?fù)?，如圖1所示，特點(diǎn)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(gè)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(diǎn)，使其在某些頻率范圍內(nèi)存在SRC的優(yōu)點(diǎn)，而在其他頻率范圍內(nèi)又具有PRC的優(yōu)點(diǎn)，電壓調(diào)節(jié)范圍較寬，且具有良好的抗負(fù)載短路和開(kāi)路性能。LCC諧振變換器在負(fù)載較重時(shí)，電路特性接近SRC；負(fù)載較輕時(shí)，電路特性接近于PRC。在使用LCC諧振變換器時(shí)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)合，一般使用電容濾波。當(dāng)變壓器匝比較大時(shí)，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(duì)電路特性的影響。在LCC諧振變換器中，變壓器的勵(lì)磁電感不參與諧振，使其變壓器相較于LLC諧振變換器來(lái)說(shuō)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(duì)于LCC諧振變換器來(lái)說(shuō)，確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，一般通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)器件的控制方式來(lái)提高其軟開(kāi)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(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率改變諧振變換器輸出電壓且維持變換器開(kāi)關(guān)管的ZVS的控制策略，被稱為變頻控制。為了軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，變頻控制的諧振變換器可能會(huì)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(guò)高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)引起較大的電磁兼容問(wèn)題。

定頻控制主要包括移相控制和占空比控制。對(duì)于定頻移相控制策略來(lái)說(shuō)，通過(guò)滯后橋臂對(duì)于超前橋臂的移相角控制輸出電壓和變換器的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)情況。對(duì)于定頻占空比控制策略來(lái)說(shuō)，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和變換器的軟開(kāi)關(guān)實(shí)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(lái)提供開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能夠根據(jù)電路變化實(shí)時(shí)自適應(yīng)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(duì)變換器的軟開(kāi)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?yàn)樗牟僮鞅容^簡(jiǎn)單且缺點(diǎn)較少。因此，研究定頻控制的優(yōu)化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種不對(duì)稱控制模式，優(yōu)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于低功率時(shí)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(duì)稱占空比控制、不對(duì)稱電壓控制以及定頻移相控制。文獻(xiàn)[5]針對(duì)上述三種控制方式，分別應(yīng)用在SRC上進(jìn)行效果的對(duì)比分析。在LCC諧振變換器中，應(yīng)用不對(duì)稱控制策略的效果是一個(gè)有意義的問(wèn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于諧振變換器能夠減小開(kāi)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(kāi)關(guān)PWM開(kāi)關(guān)變換器來(lái)說(shuō)，它使電源變得更加高效高能，正因?yàn)槿绱?，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(diǎn)：SRC輕載時(shí)電路穩(wěn)定性較差；PRC的諧振電流相對(duì)偏大，對(duì)變換器的效率影響很大。因此，如何改善諧振變換器的缺點(diǎn)成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。此時(shí)，更多人把研究重點(diǎn)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(yùn)而生。隨后，針對(duì)LCC諧振變換器的研究大大增多，焦點(diǎn)主要集中在以下三點(diǎn)：一是閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)時(shí)小信號(hào)模型的建立；二是變換器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；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(chǎng)合的應(yīng)用對(duì)比情況。

20世紀(jì)90年代LCC諧振變換器剛剛問(wèn)世，大部分研究停留在理論階段，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中由于制作工藝、控制方法沒(méi)有得到充足發(fā)展，所以并沒(méi)有得到大范圍的推廣使用。經(jīng)過(guò)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(diǎn)。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(shí)，國(guó)內(nèi)外LCC的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)變到過(guò)流保護(hù)開(kāi)發(fā)、同步整流以及磁集成技術(shù)等方面。經(jīng)過(guò)前人的不懈努力，LCC諧振變換器的應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)不再受限，現(xiàn)已應(yīng)用在高頻大功率場(chǎng)合。

2002年后，LCC諧振變換器開(kāi)始進(jìn)入國(guó)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(qǐng)專利，各大高校也對(duì)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(duì)其進(jìn)行分析，同時(shí)提出了一種參數(shù)優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)全橋逆變器的ZVS。雙LCC結(jié)構(gòu)不僅具有初級(jí)電流常數(shù)的LCL拓?fù)涮匦?，而且具有完美的?duì)稱性，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，可在固定頻率點(diǎn)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(bǔ)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(yùn)輸、醫(yī)療裝備、電子產(chǎn)品和電動(dòng)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(guò)ZVS降低開(kāi)關(guān)管損耗以提高變換器效率，同時(shí)實(shí)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(wú)線電源傳輸技術(shù)（Wireless Power Consortium，WPC），可應(yīng)用于小功率場(chǎng)合（如用于移動(dòng)電話無(wú)線充電器），也可應(yīng)用于大功率場(chǎng)合（如電動(dòng)車輛），具有較寬的應(yīng)用范圍。圖3為L(zhǎng)CC-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(jì)合理的情況下實(shí)現(xiàn)高效率，實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有可調(diào)恒定增益和零電壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的優(yōu)點(diǎn)。

迄今為止，對(duì)比之前提出并分析的大量的單相諧振變換器而言，對(duì)于三相諧振轉(zhuǎn)變器的研究相對(duì)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(diǎn)是：低開(kāi)關(guān)損耗、高開(kāi)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(diǎn)之外，以下是所提出的變換器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（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(wú)法實(shí)現(xiàn)的；（3）高頻隔離變壓器可以是單個(gè)三相單元或三個(gè)單獨(dú)的單元，具體取決于功率水平的高低和材料可用性。與三個(gè)獨(dú)立的變壓器相比，單個(gè)三相隔離變壓器的優(yōu)點(diǎn)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(huì)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(huì)有更加寬廣的應(yīng)用前景，會(huì)在DC/DC變換領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。