基于數(shù)字DSP 的5G 通訊電源LLC 變換主回路參數(shù)的設(shè)計

楊云霞

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

引言

本研究所設(shè)計的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)計和使用。在任意一個模塊停止的情況下，不會出現(xiàn)基站停機的現(xiàn)象，保障通訊良好。由于為基站通訊做保障，整機效率不低于94%。電源紋波低于100 mVP-P（峰-峰值）[1]。

1 整體回路的設(shè)計

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

（1） 全橋移相電路。移相全橋電路實際測量效率值如表1 所示，根據(jù)測量結(jié)果得知，不滿足本次設(shè)計中關(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） 全橋半橋方案對比效果如表2 所示。

表2 全橋半橋方案對比效果

表3 變壓器方案對比效果

從方案對比中可以看出，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，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)下的主回路會輸出一個非常高的Q 倍電壓，設(shè)備就會變得非常危險。而半橋LLC 電路具備自鉗位功能，不容易引起災(zāi)害。因此，本項目采用半橋LLC 電路作為主拓?fù)鋵崿F(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。諧振點設(shè)定在100 KHz。

2 主回路中電容的容值計算

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)計中占空比可以按最大設(shè)計而無需補償。這是一個非常重要的參數(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)行計算，不考慮系統(tǒng)死區(qū)時間，不考慮實際功率余量[3]。在諧振狀態(tài)時，諧振槽路的最小電容值：

在實際選取電容參數(shù)時，考慮到死區(qū)時間500 nS，同時來自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)計承受能力大于3.6 KW，故使用了兩個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 主回路中電感的計算設(shè)計

（1） 主回路諧振電感的計算

在進(jìn)行諧振電感的計算前，LLC 電路諧振電感有兩種方式：

（2） 主回路諧振的電感設(shè)計

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：這三個參數(shù)互相影響，相互約束。在綜合考慮這幾個因素前提下，結(jié)合以往經(jīng)驗，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)對這幾項參數(shù)的要求。

4 主回路中變壓器的設(shè)計

在LLC 電路中，變壓器傳輸功率大，傳輸頻率非常高，磁能交換的同時還要保證實現(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 控制信號關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)時間，但是由于Q2 體二極管并沒有關(guān)斷，其關(guān)斷時間由Trr 實現(xiàn)，所以，Q2 還是導(dǎo)通的。此時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，這個很小的電流會使開關(guān)管Q1 體二極管被打開，在沒有驅(qū)動的情況下導(dǎo)通。Q1 實現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)。

（2） 變壓器參數(shù)的設(shè)計

從上面的分析看出，每個周期，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磁化電流，同時還要與諧振電感和諧振電容形成諧振電流，這個諧振電流不但需要在死區(qū)時間去關(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，體二極管是反向?qū)ǖ摹Ｋ裕谥C振回路中，即便是正常工作情況下，需要一個比較大的磁化電流。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)計目標(biāo)是72 V 的輸出電壓。母線電按380 V 計算，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)動電路的選型及注意事項

LLC 電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于工作頻率非常高、效率非常高，但也帶來相應(yīng)的設(shè)計問題。本次設(shè)計的諧振點頻率F=100 KHz,單個LLC 組件功率在3 KW 以上，相對比較大。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)，需要一個比較大的磁化電流，預(yù)估能達(dá)到1 A，實際峰值電流接近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，電流在體二級管中存在反向流動的特性，不但要考慮MOS管自身的一些問題，同時體二級管參數(shù)也變得非常重要。由此，合理地選擇MOS 管和驅(qū)動電路非常重要。

（1） 頻率問題

本次設(shè)計的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，周期為10 uS，半個周期為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MOS 已經(jīng)無法達(dá)到這樣的工作頻率，而MOS 管的驅(qū)動電路用高頻驅(qū)動管子，驅(qū)動電流一定要足，速度要快。

（2） 死區(qū)時間

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

本次設(shè)計采用了TI 公司專門為高速MOS 設(shè)計的驅(qū)動芯片UCC27424，其單路驅(qū)動能力達(dá)到4 A，納秒級的開關(guān)速度，并聯(lián)使用，可以加倍驅(qū)動電流，完全滿足了高速、高功率的驅(qū)動要求[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 作為輸出整流二級管。其主要的特性如下：

足夠快的關(guān)斷時間，在主回路死區(qū)時間內(nèi)，完成自動反向關(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。