基于掉電保持的LLC變換器研究綜述

熊 宣 趙 慧 陳宗祥

(1. 安徽工業大學電氣與信息工程學院 馬鞍山 243000； 2. 山東華寧礦業集團有限公司保安煤礦 泰安 271000)

1 引言

隨著全球信息化的飛速發展，各行各業的發展都離不開互聯網的支持，互聯網數據中心的規模和容量迅速膨脹，數據中心的數據處理量、單位能耗迅速增加，各大電信運營商和網絡服務企業的數據中心對服務器、不間斷電源(Uninterruptible power supply, UPS)等設備的使用量迅速增長。典型的服務器和數據中心電源結構如圖1所示，通常前級AC/DC變換器采用功率因數校正器(Power-factor corrector, PFC)將交流電壓轉換為400 V直流，再由DC/DC級轉換為48 V或者12 V。

圖1 服務器電源前級變換器的結構

LLC諧振變換器由于其高效率、高功率密度的優點在服務器電源等應用場合廣泛使用。但這類電源普遍存在一個較為突出的問題，即當交流線路發生故障，交流輸入電壓跌落時，直流母線電壓將持續降低(圖2)，這時為了保證服務器系統正常工作，需要電路的輸出保持穩定的幾十毫秒甚至更長時間，直到不間斷電源(UPS)等系統接入[1-3]，使服務器能繼續正常工作。

圖2 交流故障時電壓波形

因此，這就需要擴寬LLC變換器的輸入電壓范圍，進而可以減小直流母線上使用的電容值，使變換器尺寸減小、成本下降。但是由于傳統LLC諧振變換器自身調頻控制的增益特性，導致難以在窄的開關頻率范圍內做到很寬的輸入范圍，所以需要在傳統的LLC變換器上進行改進，以達到掉電保持的要求。

2 常規LLC諧振變換器

一個典型的LLC諧振變換器通常由開關網絡、諧振腔、高頻變壓器以及整流濾波網絡四個部分組成，結構如圖3所示。

圖3 典型LLC諧振變換器圖

原邊的開關網絡通常為全橋或半橋結構，將輸入的直流電壓逆變為方波注入諧振腔；諧振腔包含諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵磁電感Lm。諧振電感Lr也可以采樣磁集成的方式通過變壓器的漏感實現，從而提高變換器的功率密度[4-5]；副邊的整流網絡可以根據實際需求采用橋式整流或者全波整流，也可以用開關管替代整流二極管實現同步整流。

LLC拓撲歸一化電壓增益表達式為

式中，勵磁電感和諧振電感的系數為m=Lm/Lr，歸一化頻率為fx=fs/fr，諧振電路品質因數為

由于增益隨fx變化，因此可以通過控制開關頻率的方式調節輸出電壓。同時，在設計變換器參數時，設計出不同的Q、m值，使得變換器有著不同的增益曲線。

m值不變Q值變化的增益曲線如圖4所示。在Q值較小時有較大的峰值增益，但是在輕載條件下，調頻控制的調節能力下降[6-8]，且在達到高增益時需要較低的開關頻率，在此增益范圍內較寬的開關頻率范圍導致變壓器磁芯大、磁芯損耗高和功率密度低等問題。Q值不變m值變化的增益曲線如圖5所示。設計變換器時也可以設計出小的m值達到高增益，但是這會導致通態損耗增加和效率降低[9]。文獻[9-12]探討了常規LLC拓撲寬增益范圍的參數設計，但其開關頻率范圍將變得非常寬，導致傳統的LLC拓撲在開關頻率窄的情況下難以做到寬輸入電壓范圍。

圖4 不同Q值對應的增益曲線(m=6)

圖5 不同m值對應的增益曲線(Q=0.4)

3 改進LLC諧振變換器的方案

在掉電保持時間內，負載所需的能量由線路上的電容來提供，LLC變換器需要寬的輸入電壓范圍以有更好的保持時間，同時減小母線電容容值、提高功率密度，下面對近年研究可用于掉電保持要求的寬輸入電壓范圍LLC變換器成果進行分析并分類，將其解決方案基本分為四類，并在整理在表1中，分別為改進控制策略、改進初級側網絡、改進副邊整流器、改進諧振腔。

表1 改進方案比較

3.1 改進控制策略

在改進控制策略上基本可分為三種：調節直流母線電壓、初級側開關網絡不對稱控制、初級側開關網絡全橋與半橋的切換。

(1) 一般電源系統DC/DC級前串了一個PFC變換器，第一種解決方案是通過調整PFC輸出的電壓，從而改變變換器的整體輸出[13-14]。這種策略可以確保功率因數下定頻調節整體變換器的輸出，但PFC的電壓調節能力有限，不能做到過寬的輸入電壓 范圍。

(2) 第二種方案是一種非對稱脈沖寬度調制(Asymmetric pulse width modulation, APWM)方案，在保持時間內通過調整占空比的方式提高電壓增益，這種控制方式非常簡單，而且不需要增加其他的元器件[15]。但這種控制方式的增益提高有限，并且不對稱控制會引入偏置電流，從而導致變壓器飽和[16]，需要采用更大體積的變壓器以避免飽和現象發生，進而減小了功率密度。

(3) 對于全橋LLC和半橋LLC的模式切換，全橋相對半橋多近兩倍的增益，有著更寬的輸入電壓范圍[17]，但這種模式的切換存在嚴重的過沖問題，并且由于模式的切換過程中需要連續的增益，所以在參數的設計過程中也增加了復雜性。文獻[18]相對文獻[17]增加了一種軟切換的方式，將全橋變半橋的常開、常閉開關管的占空比分別慢慢展開、關閉，在保留其高增益的同時解決了模式切換的嚴重過沖問題，但在模式切換過程中的APWM控制也引入了偏置電流。

3.2 改進初級側網絡

初級側開關網絡的改進主要調節諧振回路的等效輸入電壓，通過控制開關管的占空比和相移角來生成交流側電壓[19-22]。初級側逆變器改進型的拓撲如圖6所示。

圖6 初級側逆變器改進型的拓撲

這類結構通過控制初級側開關的占空比和相移角來生成交流側電壓的各種波形，調節交流電壓的幅度和脈沖寬度會改變其方均根(RMS)電壓，進而提高了電壓增益的調節能力，并且諧振參數的設計過程比較簡單。但是，這種方法通常需要一些額外的開關，這會增加開關損耗和變換器的體積，并且控制策略相對復雜的多。

文獻[21-22]中提出的拓撲(圖7)巧妙地將Boost電路運用到了諧振腔的前級，通過控制占空比來調節等效輸入電壓Vclink，并且應用了APWM控制，進而拓寬輸入電壓范圍。該方案可以減輕設計限制，并相較傳統前級直接串Boost電路的方法減小了導通損耗，但其非對稱控制同樣會引入直流偏置電流。

圖7 Boost+LLC級聯變換器的拓撲

3.3 改進副邊整流器

關于次級側整流器的修改，基本有三類。

(1) 在功率變壓器中增加了輔助繞組及其開關和整流器，如圖8所示。在保持時間內通過控制其 輔助繞組上的開關占空比實現LLC變換器的更高電壓增益，從而達到保持輸出的目的[23]。從效率和功率密度提高的角度來看，增加額外的繞組使優化變壓器變得更加困難，并增加了損耗。

圖8 具有副邊輔助繞組的LLC變換器

(2) 在副邊增加開關和電容構成倍壓整流電 路[24-25]，如圖9所示。文獻[24-25]中使次級側實現在橋式整流和倍壓整流之間切換，文獻[26]的副邊整流器是將文獻[24]中副邊的兩個二極管D1、D3換成開關管，通過控制開關管使副邊可以實現四倍整流器，該類方案需要在兩種結構之間進行模式轉換，將兩種模式下的電壓增益能構成連續，因此在參數設計時的復雜性增加。

圖9 二次側整流器改進型的拓撲

(3) 圖10為文獻[27-28]中提出的二次側整流器改進的電路拓撲圖。如圖10所示將全橋整流的二極管橋臂的一個分支換成開關管或者添加輔助開關管和二極管的方式，在保持時間內控制開關管實現二次側在一定時間內短路，此時諧振腔的阻抗減小，這樣增加了開關網絡向諧振腔注入的能量，從而增加了LLC變換器的輸出功率，提高了增益[27-30]，進而可以拓寬輸入電壓范圍。該類方案電路簡單，控制也不復雜。

圖10 文獻[27-28]中提出的改進型二次側整流器

3.4 改進諧振腔

這類方案主要是改進諧振腔的參數(Cr，Lr，Lm)和變壓器的匝比n。由式(1)可以看出改變這些參數的等效值可以調節變換器的增益，控制一些開關進行模式轉換，進而拓寬電壓增益的范圍。

在改變Lm的方案中，包括在諧振腔內增加一個額外的變壓器及其副邊整流器[31]，還有通過輔助電路的方式改變Lm的等效值[32]。圖11、圖12依次給出了這類方案的電路拓撲。

圖11 兩變壓器LLC變換器

圖12 可變電感的改進型LLC變換器

文獻[29]是通過控制雙向開關的方式來使輔助的變壓器及其整流電路接入主電路，這樣改變Lm的等效值，從而提高了變換器的增益。文獻[32]是通過在功率變壓器增加輔助繞組及其輔助電路，然后控制輔助電路上的開關管向功率變壓器注入的偏置電流，改變其磁導率的方式實現可變電感，進而改變LLC變換器的增益。但這兩個方案會在模式轉換期間存在過沖問題。此外，額外的變壓器和整流電路會增加變換器的損耗和體積。

圖13為改變電容的改進型LLC變換器的一種電路圖，在改變電容的方式里，文獻[33-34]利用輔助電容與諧振腔中的諧振電容串聯或并聯，控制其輔助開關管的占空比調節變換器諧振腔里的諧振電容等效值，進而改變變換器的增益，拓寬LLC變換器輸入電壓范圍。

圖13 可變電容的改進型LLC變換器

根據文獻[27]提出的一種向諧振腔注入更多能量的方式，文獻[35]中提出了一種在諧振腔中添加輔助開關管的電路(圖14)，在保持時間內可以定頻控制輔助開關管占空比的方式向諧振電感注入更多 的能量，增加LLC變換器的輸出功率，進而提高了變換器的增益，保持穩定輸出一段時間。該方案在保持時間的模式時只有諧振電感的阻抗，所以相對文獻[27]的電路有著更高的增益，并且控制簡單。但其在此期間同樣存在一定的偏磁現象。文獻[36]中提出的思路(圖15)與文獻[35]一致，相較前者，文獻[36]在正負周期內都能通過輔助開關管向諧振腔內注入更多能量，從而有著更高的增益特性。

圖14 文獻[35]中提出的改進型LLC變換器

圖15 文獻[36]中提出的改進型LLC變換器

4 結論與展望

本文針對傳統LLC變換器輸入電壓范圍窄導致掉電后保持時間短的問題，對適用于掉電保持輸出的寬輸入范圍LLC變換器拓撲進行了全面概述。

基于常規結構的最新型寬增益LLC解決方案旨在減小開關頻率范圍甚至在定頻的同時，能提高變換器的增益，從而擴展了輸入電壓的范圍。根據這些方案可以將其分為四類：控制策略的修改、初級側開關網絡的修改、二次側整流器的修改和諧振腔的修改。第一種類型的修改是一些無需額外組件的控制策略，而該方案可能會引入一些問題，例如增益提高偏小和通過Lm的直流偏置電流引起磁性原件易飽和問題。第二種類型是通過輔助電路調整其初級側的等效電壓。第三種是將副邊改進成多整流繞組或者可變整流器結構，因此控制和設計相對簡單。但是引入了模式轉換時額外的開關和傳導損耗問題。最后一種是通過調整變換器的一些諧振參數的等效值或者控制額外的開關向變換器注入更多的能量。它控制方式相對簡單，但是在設計變換器參數時變得相對復雜。

對于保持時間內的操作，由于很少發生且持續時間短，因此引入額外的補償模式是一種比較好的方式，文獻[27-30，35-36]中提出的方案在正常模式下可以保留其高效率，對變換器的體積也不會造成過多影響，并在保持時間的模式下控制簡單。對功率大、功率密度要求不高的條件下，文獻[18，25-26]中提出的方案也是不錯的參考建議。

隨著LLC諧振變換器的發展，越來越多的學者對此進行研究，其掉電保持能力的不足逐漸得到了改善，LLC諧振變換器在各個領域有著更加廣泛的應用前景。