一種LCC諧振變換器無(wú)功環(huán)流最小化設(shè)計(jì)方法

廖鴻飛，龍濤元,2

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

0 引 言

由于諧振變換器中的主功率器件不需要輔助元件就能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，具有較高的效率，因此在LED電源、通信電源以及電動(dòng)汽車充電等裝置中獲得了廣泛應(yīng)用。由于基本的串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器無(wú)法兼顧較好的負(fù)載調(diào)節(jié)和較小的輕載環(huán)流，因此應(yīng)用中一般采用串并聯(lián)諧振變換器[1]，如LLC和LCC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)負(fù)載和輸出電壓變化時(shí)，LLC諧振變換器的開關(guān)頻率變化范圍較大，不利于變壓器的設(shè)計(jì)及效率優(yōu)化。因此，在負(fù)載變化較大或?qū)捿敵鲭妷簣?chǎng)合，LCC諧振變換器得到了越來(lái)越多的關(guān)注[2,3]。

LCC諧振變換器有電感輸出濾波和電容輸出濾波兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于電容輸出濾波的LCC諧振變換器輸出二極管能實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此電容輸出濾波是目前應(yīng)用最廣泛的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4-7]。在控制策略方面，LCC諧振變換器有定頻移相控制、變頻控制以及移相控制和變頻控制結(jié)合的混合控制策略。由于定頻移相控制方式在輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，因此變頻控制策略成為了LCC諧振變換器的主要控制方式[8-12]。

當(dāng)LCC諧振變換器工作于變頻模式時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗特性將隨著頻率的變化而變化。而以MOSFET為主功率器件的LCC諧振變換器要實(shí)現(xiàn)零電壓開通，需要諧振網(wǎng)絡(luò)工作在感性區(qū)間，即電流滯后于電壓。為了確保功率開關(guān)管在滿載時(shí)能實(shí)現(xiàn)零電壓開通，通常在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先設(shè)置較大的阻抗角，使LCC諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)感性，而諧振阻抗角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致諧振網(wǎng)絡(luò)有較大的無(wú)功環(huán)流，降低了LCC諧振變換器的效率[13-15]。歐偉麗等提出了一種以輸入阻抗角為限定條件的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，但是采用了占空比和變頻控制相結(jié)合的控制策略，控制方式復(fù)雜[16]。

本文分析變頻控制的LCC諧振變換器的交流等效模型及其阻抗特性，通過(guò)分析得出LCC諧振變換器在負(fù)載減小時(shí)其阻抗角變大的特性，提出了變換器在最大負(fù)載時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗角為0°的設(shè)計(jì)方法，減小了阻抗角和無(wú)功環(huán)流，提高了變換器效率。此外，使用該方法設(shè)計(jì)了150 W LCC諧振變換器，并采用SIMPLIS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 電容輸出濾波的LCC諧振變換器工作原理

低壓輸出的應(yīng)用場(chǎng)合中，通常采用如圖1所示的半橋LCC諧振變換器結(jié)構(gòu)。功率開關(guān)管Q1和Q2構(gòu)成半橋電路，以50%占空比的互補(bǔ)方式驅(qū)動(dòng)；Ls、Cs、Cp構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)；二極管D1和D2構(gòu)成次級(jí)側(cè)全波整流結(jié)構(gòu)；變壓器匝比為n；Co為輸出濾波電容；Ro為負(fù)載電阻。

圖1 LCC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的工作波形如圖2所示。其中，Va為Q2的DS間電壓，即半橋中點(diǎn)電壓，虛線為其基波成分；ir為諧振電流；φ為其滯后于半橋中點(diǎn)電壓的角度，也就是阻抗角；vcp為并聯(lián)諧振電容Cp上的電壓；iTP為變壓器原邊的電流，θ為副邊二極管的導(dǎo)通角。

圖2 LCC諧振變換器工作波形

（1）模態(tài) 1（t0～t1）。當(dāng)Q1導(dǎo)通后，Q2的DS間電壓Va為輸入電源電壓，諧振網(wǎng)絡(luò)在輸入電壓作用下開始諧振，在t0時(shí)刻諧振電流過(guò)零，諧振電流開始給并聯(lián)諧振電容Cp充電，在t1時(shí)刻并聯(lián)諧振電容Cp的電壓上升到nVo。

（2）模態(tài)2（t1～t2）。在t1時(shí)刻，變壓器原邊電壓上升到nVo，D1正偏導(dǎo)通，Cp兩端電壓被輸出電壓鉗位，Ls、Cs與負(fù)載形成諧振，輸入電源的能量通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)傳遞給負(fù)載。

（3）模態(tài)3（t2～t3）。Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，此時(shí)Ls、Cs與負(fù)載形成諧振，諧振網(wǎng)絡(luò)中的能量傳遞給負(fù)載。在t3時(shí)刻諧振電流到零，D1截止，諧振電流開始給諧振電容Cp反向充電。

（t3～t6）為變換器的另一半周期，工作原理與前半個(gè)周期相似，不再詳述。

從圖2的波形可以看出，阻抗角φ越大，諧振網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)功功率越大，無(wú)功環(huán)流造成的損耗將增大，不利于變換器的諧振參數(shù)優(yōu)化。

2 LCC諧振變換器諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化

2.1 LCC諧振變換器的等效電路

由圖2的波形可知，變壓器的原邊電壓電流都不是正弦波[17]。根據(jù)基波近似法，變壓器一次側(cè)電壓滯后一次側(cè)電流，因此變壓器二次側(cè)可等效為一個(gè)RC并聯(lián)電路折算到一次側(cè)[13]，等效電路如圖3所示。

圖3 LCC諧振變換器交流等效電路

圖3中，Vab為諧振網(wǎng)絡(luò)輸入的交流電壓，Re和Ce為副邊折算到原邊的交流等效負(fù)載，計(jì)算公式為：

因此，由交流等效電路可以得到LCC諧振變換器的增益關(guān)系為：

2.2 LCC諧振變換器的工作特性分析

由式（3）可以繪出LCC諧振變換器的增益特性曲線。圖4為當(dāng)k=1時(shí)的增益曲線。由增益曲線可以看到，Qs曲線的頂點(diǎn)為該負(fù)載下變換器能達(dá)到的最大增益。隨著負(fù)載增加即Qs增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的Qs曲線峰值下降。當(dāng)Qs曲線的峰值正好與所需的增益Mn相交時(shí)，此時(shí)的Qs是變換器能滿足增益要求的最大Qs值。如圖4中的a點(diǎn)，此時(shí)變換器諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗角正好為0°，對(duì)應(yīng)的開關(guān)頻率最低。隨著負(fù)載減小，Qs降低，頻率升高，如當(dāng)Qs=1時(shí)，變換器將工作于圖4中的b點(diǎn)。

圖4 半橋LCC諧振變換器的增益曲線

LCC諧振變換器的阻抗角隨頻率變化的曲線如圖5所示?？梢钥吹?，在變換器滿載的工作點(diǎn)a處的阻抗角為0°。當(dāng)負(fù)載減輕，頻率升高，諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗角將增大，工作點(diǎn)b點(diǎn)的阻抗角將大于0°，諧振網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)感性，能使變換器的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS。從圖5還可以看到，當(dāng)變換器輕載時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)阻抗角將接近90°，諧振網(wǎng)絡(luò)將有大量的無(wú)功環(huán)流。因此，LCC諧振變換器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使變換器工作于最大負(fù)載的峰值增益處，即圖4中的a點(diǎn)，此時(shí)變換器的無(wú)功環(huán)流最小。因此，令最大負(fù)載時(shí)φ=0，由式（5）得到系統(tǒng)無(wú)功環(huán)流最小的條件為：

式中，fn為最小的歸一化頻率，其中約束條件為：

由于fn和λ還需要滿足式（3）的增益條件，將式（6）代入式（3），可得：

圖5 LCC諧振變換器輸入阻抗角與頻率之間的關(guān)系

2.3 無(wú)功環(huán)流最小的LCC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

由分析可以得到LCC諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)步驟。

（1）根據(jù)輸入輸出電壓要求，由式（3）計(jì)算所需的增益M，設(shè)置電容比λ；

（2）將參數(shù)代入式（8），得到最大負(fù)載對(duì)應(yīng)的歸一化頻率fn，根據(jù)需要調(diào)整步驟（1）中的電容比λ，使最大負(fù)載時(shí)的工作頻率在期望范圍內(nèi)；

（3）將fn、λ等參數(shù)代入式（6），得到阻抗角為0°時(shí)的Qsmax；

（7）根據(jù)式（9）得到變壓器匝比。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可行性，采用該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)150 W LCC諧振變換器。變換器正常滿載電流為2.8 A?？紤]瞬時(shí)過(guò)載等因素，設(shè)置允許最大過(guò)載電流為3.5 A，并按照在3.5 A時(shí)阻抗角為0°進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，如表1所示。

圖6為半橋下管的Vds和諧振電流ir的仿真波形。其中，圖6（a）為輸出負(fù)載為2.8 A時(shí)的波形，可以看到開關(guān)周期為16 μs，電流過(guò)零點(diǎn)滯后于中點(diǎn)800 ns，換算成角度為電流滯后于電壓18°；圖6（b）是輸出負(fù)載為3.5 A時(shí)的波形，此時(shí)諧振電流過(guò)零點(diǎn)和電壓波形的相位一致，即此時(shí)阻抗角為0°，S1和S2在零電壓開通的臨界點(diǎn)上，如果再增大負(fù)載，變換器將進(jìn)入硬開關(guān)狀態(tài)，驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)方法的正確性。

表1 150 W LCC諧振變換器參數(shù)

圖6 仿真波形

4 結(jié) 論

LCC諧振變換器的開關(guān)頻率隨負(fù)載的變化較小，有利于變壓器等元件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，但阻抗角所引起的無(wú)功環(huán)流將影響LCC諧振變換器的效率。本文以最大負(fù)載電流時(shí)0°阻抗角為約束條件，設(shè)計(jì)了LCC諧振變換器的諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了正常負(fù)載時(shí)可以有效減小阻抗角，從而減小無(wú)功環(huán)流，提高變換器效率。本文的設(shè)計(jì)方法對(duì)電容輸出濾波的LCC諧振變換器設(shè)計(jì)提供了借鑒，將推動(dòng)LCC諧振變換器在LED電源、通信電源以及充電電源等場(chǎng)合的應(yīng)用。