硕士论文-基于半桥谐振带APFC的通信整流器的设计与研究.pdf

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1、上海交通大学硕士学位论文基于半桥谐振带APFC的通信整流器的设计与研究姓名：周强申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：陈德荣20090101 4 基于半桥谐振带 APFC 的通信整流器的设计与研究 摘 要 通信事业的迅猛发展不仅提高了人们的生活水平，也给通信系统的供电设备提出了更为严格的要求。高效率、高功率密度、高功率因数和高可靠性的新型通信整流器成为通信供电方面研究的重点。相比传统线性整流器，高频开关整流器具有诸多优点而在现今的通信整流器领域得到广泛应用。但传统的硬开关 PWM 整流器由于其开关器件工作在高电压大电流条件下，损耗很大，在高频环境下效率较低，使得通信整流器的整体性

2、能受到制约。而软开关技术的实现解决了传统硬开关所带来的不利因素，大大提高了整流器的效率，因此成为新型整流器设计所必须考虑的关键技术之一。另一方面，电力电子设备的大量使用也引起了不可忽视的谐波污染和干扰等，给整流器的功率因数带来不利的影响，功率因数校正（PFC）技术也成为新型整流器设计的研究热点之一。本文以研究一款新型的通信整流器为宗旨，以整流器设计中需考虑的直流变换电路、功率因数校正电路、滤波和电磁兼容等为研究对象，详尽分析了直流变换器的软开关拓扑和功率因数校正实现条件，并给出一个双级电路结构的整流器设计方案：选取 LLC 谐振电路作为直流变换器的拓扑，分析了 LLC 谐振软开关的实现过程和稳

3、态特性，并在此基础上选用合适控制器芯片，给出变换器各元件参数的设计；选取基于专用功率因数校正芯片的升压有源功率因数校正电路，5 分析了电路的工作过程，并同时给出电路关键参数的计算。在双级电路结构的基础上为改善电磁兼容性和提高电能转换效率，又进行了针对性的改进设计，最后制作出一款 500W 通信整流器样机，并对其进行综合测试。从测试数据结果可以看出，本文设计的这款新型整流器在很宽的输入负载范围内都能够保持较高的效率和功率因数，满足相关要求，具有广阔的应用前景。关键词：通信整流器，软开关，LLC 谐振，有源功率因数校正，双级电路结构 6 RESEARCH AND DESIGN OF A COMMU

4、NICATION RECTIFIER WITH APFC BASED ON HALF-BRIDGE RESONANT TOPOLOGY ABSTRACT The huge development of the communication business brings not only the improvement for human beings life,but more strict requirements for power suppliers of communication systems.Now the focus of communication power supply

5、is on the new rectifiers,with high efficiency,small volume,high power factor and stability.Compare to the traditional linearity rectifiers,high frequency switching rectifiers are more widely used in communication power field for their strong points nowadays.But,traditional Hard Switching PWM rectifi

6、ers have larger loss and low efficiency in high frequency.The development of Soft Switching technology solves this problem.It increases the rectifiers efficiency,so takes an important position in rectifiers research.On the other hand,the large usage of power electronics equipments makes harmonic wav

7、es pollutions and interference,and is followed by lower power factor.Power Factor Correction(PFC)becomes a new hotspot.Facing such situation,this paper conducts research of a new communication rectifier,with designs focusing on DC/DC converter,power factor corrector,filter and EMC.We give a detailed

8、 analysis about 7 DC/DC converters soft switching topology and power factor corrections implement,and bring a two-stage structure of a new rectifier.The model is with a LLC resonant DC/DC converter,on which we analyze the LLC resonant topology,select the suitable controller,and design the circuit;wi

9、th an APFC circuit,on which we select the professional PFC chip,and design the periphery circuit.Also we make improvements with the purpose of higher efficiency and better EMC.Last we give a real model of a 500W communication rectifier.Finally,the test results of the sample product prove its ability

10、 to keep relatively high power factor and efficiency in a wild range of input,all of which gives it a very promising application prospect.KEY WORDS:Communication rectifier,soft switching,LLC resonant,APFC,two-stage circuit structure 2 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究

11、工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 3 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密

12、，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 1 第一章 绪论 1.1 课题背景的提出12 随着科学技术的发展，人们的工作与生活与信息之间的关系越来越密切，人和人之间的交流也变得愈发重要。从 20 世纪 80 年代以来，我国的通信行业取得了迅猛发展，通信成为国民经济中发展最快的行业，年增长速度大体为 GDP 增长速度的 3 倍；进入 21 世纪以来，我国每年的通信市场增长率也保持在 27%左右，可谓高速发展。面对通信事业的蓬勃发展，如何提高通信系统的可靠性，使通信网络能稳定安全地运行就成了

13、人们研究的重点及热点问题。通信电源虽不是通信系统的主流设备，却是通信系统中必不可少的组成部分。作为通信系统的关键环节，通信电源向通信系统中的各个设备提供能量，保障整个系统的正常运行，其质量直接影响到通信的可靠性。因此通信电源的重要性已越来越被通信部门所认识，而且对其相关设备和技术提出了更高的要求，研究新型的通信电源设备也就成了关注的热点。近年来，随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断进步，控制方法的不断改进，以及相关学科的不断融合，通信电源在系统的可靠性和稳定性、电磁兼容性、消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等方面都取得

14、了长足的进步。通信电源正向高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性和高智能化方向发展。本课题研究的高频谐振通信整流器主要是针对目前通信电源应用的情形来进行设计和改造的，在当前通信行业蓬勃发展、对通信质量的要求越来越高以及能源紧缺的时代里，新型通信整流器的研究显得非常重要。2 1.2 通信整流器发展现状及前景123 1.2.1 通信整流器的发展现状和热点技术 从 20 世纪 70 年代可控硅相控整流器、80 年代的可控谐振整流器到 90 年代的高频开关整流器，通信整流器获得了不断的进展。而高频开关整流器又经历了PWM 开关整流器、高频谐振开关整流器和准谐振开关整流器等不同阶段不同电路程式

15、的变化。目前通信整流器发展的主要特点是：传统的相控整流转变为先进的高频开关整流；设计已经由固定式演变成模块化，以适应各种等级、各种规模通信设备的需求；设备一般都配置了防雷保护和浪涌抑制，有效地防止了雷电冲击和电压的突变、尖峰干扰及开、关机浪涌，提高了安全性和供电质量；智能化设计和通信接口的设置，使集中监控成为可能；新器材、新材料、新技术的应用，使高频开关整流器跃上了新台阶。现在通信电源系统中的一次或二次电源，均是采用的高频开关直流电源。通信设备近年来高速发展，对整流设备也提出了更高的要求。目前通信整流器研究的热点技术主要有：1、新型功率半导体技术。上个世纪 70-80 年代，晶闸管整流器的生产

16、和应用逐渐成熟。但是晶闸管是半控型器件（不可控制关断），需低频变压器，电感体积、重量大。80 年代以来，国外应用微电子工艺的功率半导体器件发展，高频化场控型全控器件问世，目前功率 MOSFET 和 IGBT 已完全替代晶体管（GTR）和中小电流的晶闸管，使实现开关电源高频化有了可能，超快恢复二极管和MOSFET 同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的高频通信开关整流器创造了条件。同时，高性能的碳化硅半导体材料及其器件的研究和应用，将大大提高高频开关整流器的性能和可靠性；纳米技术在非晶合金软磁材料方面的应用，有助于高频开关整流器变压器、电抗器和电感器体积的缩小，工作频率的提高，温度范围的

17、加宽和电磁性能的改善。新型固体电容器将使其体积和等效串联电阻缩小，耐温耐压性能得到提高。2、高频开关技术。整流器电路从低频的相控整流器发展为高频开关整流器，开关变换器的功率上限和开关频率都提高，上世纪 90 年代，数千瓦的大功率变 3 换 器 的 开 关 频 率 在 20-450KHz 之 间，市 售 功 率 变 换 器 的 开 关 频 率 在100KHz-1MHz 之间。采用高频开关技术所使用的高频变压器和电感，比 50Hz变压器和电感时的电磁元件的体积和重量（在中小功率范围内）约减少两个数量级，整流器的体积和重量约减少一个数量级。3、软开关技术。60 年代开始得到发展和应用的 DC/DC

18、PWM 功率变换技术是一种硬开关技术。所谓硬开关技术是指功率开关管的开通（Turn-on）和关断（Turn-off）是在器件上的电压或电流不等于零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断。而且频率越高，开关损耗越大。为此研究出零电压开关（ZVS）和零电流（ZCS）技术。目前国内较成熟的软开关技术有如下几种：?在脉宽调制技术的基础上，用 MOSFET 使 IGBT 软关断的方案；?准谐振调频电路方案的软开关，该方案可使开关频率高达 450KHz；?移相控制-零电压开关-脉宽调制（PS-ZVS-PWM）电路方案。4、功率因数校正（PFC）技术。传统的用于电子设备在前端的二

19、极管整流器后，一般接一个大电容，这种非线性元件和储能元件的组合，导致输入电流为脉冲电流，并干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致整流器的利用效率下降。而整流电路后面不加滤波电路，仅为电阻性负载时，输入电流即为正弦波，并且与电源电压同相位，功率因数为 1。功率因数校正技术的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变为电阻性负载，提高功率因数。功率因数校正技术基本可以划分为两大类：一类是无源功率因数校正技术；一类是有源功率因数校正（APFC）技术。前者采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波以满足标准要求，其特点是简单，但体积庞大、笨重，有些场合无法满足要求

20、；后者是用一个变换器串入整流滤波电路与 DC/DC变换器之间，通过特殊的控制强迫输入电流跟随输入电压，反馈输出电压使之稳定，从而使 DC/DC 变换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控制复杂，但体积大大减小，设计也易优化而进一步提高性能。目前研究最多的是有源功率因数校正（APFC）技术。5、高频磁元件技术。通过采用平面磁芯及平面变压器技术、集成磁元件技术、兆赫级高频变换器磁元件技术、压电变压器技术，可使高频变压器的效率相 4 对传统高频变压器功率密度、效率、工作频率等性能有了大幅提升。6、新型控制技术。由于开关变换器的强非线性，以及它具有离散和变结构的特点，负载性质的多样性，主电路的性能必须满

21、足负载大范围的变化，所有这些都使得开关变换器的控制问题和控制技术较为复杂。一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制、电荷控制、单周期控制、DSP 控制等技术及各种调制策略使通信开关整流器动态性能有了很大提高，电路也大幅简化。1.2.2 通信整流器的发展趋势 通信整流器的发展趋势可概括为：高频化、高效率、无污染、模块化和智能化。在这里，通信整流器是指直接向通信设备供电的一次整流器（即 AC/DC 高频开关整流整流器，将电网市电变换为标称值为 48V 的直流电）和二次整流器（即 DC/DC 直流开关变换器，通信设备内部集成芯片等所需用的直流电源）。1、高频化。高频化是缩小整流器体积、重量

22、，提高功率密度的重要技术途径，高频化又是提高整流器动态品质的重要保证。小功率直流二次整流设备，开关频率将达到 1 兆赫或更高。功率密度也将由现在的每立方英寸 50W 提高到100W 以上。2、高效率。效率是整流器最重要的指标之一。效率高，发热损耗小，散热容易，才容易做到高功率密度。高频化的结果是使开关损耗显著增加。软开关技术理论上可以使开关损耗为零。在实际应用中，目前的各种整流器模块的变换效率由 80%提高到 90%以上，达到了高频率、高效率的功率变换。3、无污染。由于电力电子装置的大量广泛应用，使输入电流中的谐波显著增加，功率因数显著降低，使供电网受到污染，采用高频开关整流整流器，提高开关整

23、流器的输入端的功率因数，就可以限制电器设备对电网发射谐波电流，提高效率，减小污染。由于高频开关整流整流器采用电流控制模式、软开关、有源功率因数校正、饱和电感、单脉冲控制和并联均流等技术，采用了功率 MOSFET和 IGBT 器件，微晶合金软磁材料，设计了多级滤波，原、副边控制光电隔离和通信接口，使整流设备具有高效率、高功率密度、高功率因数、高稳定、高抗扰低辐射、高可靠的智能型变流设备。4、模块化。模块化用来适应分布式电源系统供电的需要。过去在功率不大时，电源均是采用单一集中的供电方式。近年来均是采用分布式供电。这是由于：5?分布式供电，具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点。?适用于低传

24、输损耗，超高速型集成电路、低电压电源（2.2V、3.3V）的供电要求。?当需要大功率输出时，可采用小功率整流模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成积木式智能化大功率供电电源系统。这样做带来的好处是：极大地减轻了对大功率元器件的研制压力以及对大功率电源装置的研制压力；?分布式供电缩小了蓄电池室和通信设备机房之间的距离，大幅度减少了直流送电的损耗。5、智能化。采用计算机辅助设计和控制，CAA 和 CDD 技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使通信开关设备具有单机智能。相应的通信电源监控系统检测电源电压、电流、功率因数、温度、工作状态等参数，将电源所处环境温度、高压系统、备用油机发电机及安全、火灾用摄

25、像机进行全面现场监控，并组成各级监控网络。随着单机设备智能化程度的提高和监控系统的软、硬件设计的完善，通信和数据传输得可靠性和抗干扰性能得到提高，全面实现集中监控和远程控制，真正做到通信电源系统智能化。1.3 本文主要研究内容及工作 本文以研究和设计一款高频开关通信整流器为主要目的，经过对开关电源控制方式的分析，确定设计方案，力图研究出高效、简单的开关整流装置。整流器采用双级电路结构，前级整流电路采用有源功率因数校正电路，使直流变换器的输入电压实现预稳；后级 DC/DC 变换主电路采用半桥谐振 DC/DC 变换器结构，以 LLC 谐振网络为主拓扑，使开关管电流呈正弦规律变化，降低开关损耗，提高

26、转换效率。同时在市电交流输入与前级之间加入电磁干扰（EMI）滤波器，并且考虑通信整流器的电磁兼容标准。本文主要进行的工作如下：1、详细分析整流器中 DC/DC 变换器的电路拓扑、控制方式和软开关实现等，选取最佳变换器拓扑结构；分析功率因数校正（PFC）的原理和控制策略，给出功率因数校正变换器模型。在两者的基础上提出一种通信整流器的总体设计方案。6 2、在理论分析的基础上，根据相应的通信整流器技术指标，设计出实例电路，包括主功率变换回路、功率因数校正电路、输入整流、输出滤波、反馈和控制回路、保护电路等，特别对电路中重要元件给出详细的参数分析计算。3、由设计的电路制作出相应的印刷电路板，在线路布置

27、、器件布局等方面考虑通信整流器的电磁兼容控制要求，最后针对输出指标、功率因数校正、谐波干扰等对成品样机进行测试，与理论数据进行对照分析。论文具体安排如下：第一章介绍课题提出的背景，简要分析通信整流器的发展状况和趋势，阐述本文研究的内容和工作。第二章进行通信整流器的总体设计，分析谐振 DC/DC 变换器和 PFC 电路的拓扑结构和控制方式，并选取合适的总体设计方案。第三章设计半桥谐振 DC/DC 变换器，分析主电路拓扑工作过程和软开关，并进行电路的参数设计。第四章设计整流功率因数校正电路，分析 PFC工作原理和控制模式，给出实例的 PFC 控制器设计。第五章进行成品样机测试分析，测试分析样机技术

28、指标等。第六章给出结论。7 第二章 通信整流器的总体设计 2.1 总体设计电路结构 本课题中提出的整流器采用两级结构，结构框图如图 2-1 所示。系统第一级是具有功率因数校正（PFC）功能的 AC/DC 变换部分，第二级是高频 DC/DC 变换部分。AC/DC 变换部分将交流市电整流成较平滑的直流高压。其中带有有源因数校正（APFC）功能，将一次整流输出的直流电压升高预稳，同时使电流呈现正弦波，并与输入电压的波形及相位保持基本相同，因此有效提高了功率因数。而DC/DC是将功率因数校正电路输出的直流高压变换成频率大于20KHz的高频脉冲电压，再经二次整流及滤波电路转换成稳定的直流 48V 输出或

29、其他等级的电压。由于采用 MOSFET 和 IGBT 等新一代开关器件，在采用功率因数校正技术后，功率因数接近 1。一次滤波整流功率因数校正电路功率开关电路高频变压器PFC控制器PWM控制器二次滤波整流外部辅助电源AC/DCDC/DC市电输入直流输出输出反馈输出反馈 图2-1 整流器总体设计结构框图 Fig.2-1 The Structure of General Design of Converter 根据该设计方案，研制一款高效率和功率因数的通信整流器即要设计两个主要部分：前级功率因数校正电路部分以及后级 DC/DC 变换器部分。另外还包括输入整流部分、保护电路、EMI 滤波部分等。2.2

30、 DC/DC 变换器设计方案 2.2.1 DC/DC 变换器控制方式 开关 DC/DC 变换器实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。通用 8 的控制技术主要有脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）和脉冲频率调制（Pulse-Frequency Modulation，PFM）。图 2-2 是利用自关断器件构成的典型DC/DC 变换电路。最基本的电路结构如图 2-2（a）所示。变换器的负载为R，当开关S合上时，oU=RU=iU，并持续ont时间。当开关切断时，oU=RU=0，并持续offt时间，offonttT+=为变换器工作周期，变换器的输出波形见图 2-2（

31、b）。ont为变换器导通时间，T为通断时间，对于脉冲宽度调制（PWM）工作方式来说，维持T不变，ont改变；对于脉冲频率调制（PFM）工作方式来说，维持ont不变，改变T。iSisuruitonui0tofftTton0tofftDTU/R(a)(b)图2-2 典型 DC/DC 电路原理 Fig.2-2 Typical DC/DC Circuit 现在，DC/DC 变换器的控制方式通常采用的是脉宽调制（PWM）方式，因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。在本课题中依然选取的是 PWM 方式。2.2.2 DC/DC 变换器拓扑结构综述 DC/DC 变换器的拓扑结构指能用于转

32、换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。设计一款 DC/DC 变换器首先要考虑的是选取哪种拓扑结构。根据变换器的设计成本和设计功率、输入输出是否需要变压器隔离、变压器原边上施加的电压大小、开关管需要承受的耐压等方面的考虑，我们应该选取一款合适的 DC/DC 变换器拓扑。传统 DC/DC 变换器的拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型和隔离型。非隔离型变换器在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路，主要有降压型（Buck）、升压型（Boost）、降-升压型 9（Buck-Boost）和 Cuk 型。而隔离型变换器的能量转换使用一个相互耦合的磁性元件（通常是变压器）来实现的，输

33、入电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共用电路，主要有正激（Forward）、反激式（Flyback）、推挽式（Push-Pull）、半桥式（Half-bridge）和全桥式（Full-bridge）。近年来提出了软开关谐振式变换器的概念，在传统变换器的基础上采用软开关/谐振技术，大大提高了工作频率和效率。2.2.3 传统 DC/DC 变换器的缺点及软开关技术的提出3 传统 DC/DC 变换器，如 Buck，Boost 和反激式等通常称为硬开关变换器。所谓硬开关（Hard Switching）指开关上的电压和电流都不为零时的一种突变的强迫开关过程，即强迫开关器件在其电压不为零时开通，或电流不为零

34、时关断。而 DC/DC 变换器作为电源系统中为设备提供直流动力的主要装置，面临着体积更小、重量更轻、效率更高、可靠性更高等诸多要求。要达到上述要求，DC/DC变换器必须实现工作频率由低频向高频的转变。在硬开关方式下，不断提高DC/DC 变换器的工作频率会引起如开关损耗大、感性关断电流尖峰大、容性开通电流尖峰大、电磁干扰严重等问题。20 世纪 80 年代，研究人员提出了谐振开关/软开关的概念，并用于 DC/DC变换器中。所谓软开关（Soft Switching），实质是在传统的硬开关电路中增加一个高频谐振网络，此谐振网络可以只由储能元件L,C构成，也可以有附加的辅助二极管或开关器件，其主要作用是

35、在元件开通时将其两端电压降至零或使其开通后电流上升很缓慢，在元件关断时使其电流先降到零或使其关断后电压上升很缓慢。据此可大致将软开关分为零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。通过应用软开关技术，可使变换器的工作条件得到明显改善。为了实现功率转换器件的软开关，除了可在硬开关电路基础上接入由谐振开关构成的 ZVS 和 ZCS 拓扑外，也可直接使用能实现软开关的谐振变换器拓扑。由于采用软开关技术后开关损耗小到几乎可以忽略不计，因此采用 MOSFET 为开关器件的谐振变换器可以工作在很高的频率下，大大提高了变换器的效率。2.2.4 软开关谐振式 DC/DC 变换器712 依据拓扑结构，软开关谐振

36、变换器电路通常分为串联谐振变换器(SRC)、并 10 联谐振变换器(PRC)以及串并联谐振(SPRC,也叫 LCC 谐振)。2.2.4.1 串联谐振变换器（SRC）半桥串联谐振变换器的电路结构如图 2-3 所示，图 2-4 为其直流增益特性。由图可知，电路由两个开关管1TV和2TV组成半桥桥臂，并通过开关管上体二极管3DV、4DV和谐振电感rL、谐振电容rC串联，再和负载串联成一个谐振回路。rL和rC组成的谐振腔和负载均分半桥中点电压SV。当改变SV的频率（即改变开关频率）时，串联谐振腔的阻抗会随之改变，负载和谐振腔之间电压分配也会有所不同。串联谐振腔和负载上分得的电压都要小于输入电压SV。因

37、此，从输入到负载的直流电压增益都会小于 1。当输入电压频率接近串联谐振腔的谐振频率时，谐振腔的阻抗会变得非常小（接近于零），所有输入电压将会加在负载上输出。因此串联谐振变换器的最大直流增益点在谐振频率处。VinTCVoVD1RLVT1NpNs1VD3VD2VD4VT2Ns2CrLrVS 图2-3 半桥串联谐振变换器 Fig.2-3 Half Bridge Series Resonant Converter 图2-4 串联谐振变换器的直流增益特性和工作区域 Fig.2-4 DC Characteristic and Operating Region of SRC 11 对于应用 MOSFET 做

38、开关管的串联谐振变换器，工作频率sf应大于谐振频率rf。因为在这一区域内变换器具有零电压开关的特性。当工作频率sf低于谐振频率rf，变换器将工作在零电流开关条件下。零电压开关特性对于减少MOSFET 管的开关损耗更加有利。从图 2-4 中可见，在轻载条件下Q值较高，开关频率需要在很大范围变化才能达到输出电压调整的目的。这是串联谐振变换器一个很大的缺点。为了限制轻载时输出电压的升高，需要增加其它一些控制方法。串联谐振变换器主要优点是：使用串联电容，隔离了直流成分，避免了变压器饱和；流过开关器件的电流随着负载电流的减小而减小，所以在全负载范围可以获得高效率。但也主要存在以下几个方面的问题：轻载或者

39、空载的条件下，输出电压不能调整；输出直流滤波电容承受很大的纹波电流(在低电压、大电流输出时尤为突出)；不适合工作在宽电压范围输入条件。2.2.4.2 并联谐振变换器（PRC）半桥并联谐振变换器的电路结构如图 2-5 所示，图 2-6 显示其直流增益特性。虽然称之为并联谐振变换器，但rL和rC构成的谐振腔仍然为串联结构，不过负载和谐振电容之间为并联关系，可以说成是并联负载输出的串联谐振变换器。由于拓扑中变压器原边并联一个电容，变压器副边必须增加一个输出电感fL，以达到阻抗匹配。VinTCVoVD1RLVT1NpNs1VD3VD2VD4VT2Ns2CrLrVSLf 图2-5 半桥并联谐振变换器 F

40、ig.2-5 Half Bridge Parallel resonant converter DC Characteristic of PRC 12 图2-6 并联谐振变换器的直流增益特性和工作区域 Fig.2-6 DC Characteristic and Operating Region of PRC 与串联谐振变换器相似，为了实现零电压开关特性，并联谐振变换器工作频率设计也高于谐振频率(即图 2-6 中谐振频率rf右边部分)。同样，并联谐振变换器在输入电压较低时，工作频率靠近谐振频率点。而当输入电压升高，变换器频率向远离谐振频率方向上升。但与串联谐振变换器不同，并联谐振变换器直流增益可以

41、大于 1，而且它的工作频率区域要小得多。轻载条件时开关频率只需要在很窄的范围内变化，就可实现对输出电压的调整。所以，并联谐振变换器不存在轻载电压调整问题。并联谐振变换器的主要优点：可以负载开路运行；由于采用电感滤波，滤波电容需要承受的纹波电流很小，适用于低电压、大电流输出的场合。并联谐振变换器的一个显著的缺点为轻载条件下仍然产生大量无功能量。因为在并联谐振变换器中，负载和谐振电容之间呈并联结构。这使得甚至在空载状态下，对输入电压方波，串联谐振腔的阻抗仍然很小。即使当输出为电流为零，也会产生一定的无功能量。2.2.4.3 串并联谐振变换器（SPRC）串并联谐振变换器的电路结构如图 2-7 所示，

42、图 2-8 显示其直流增益特性。它的谐振腔由rL，rC和pC三个谐振元件组成，因此又称为 LCC 谐振变换器。串并联谐振变换器的谐振腔可以看作串联谐振腔和并联谐振腔的复合体。和并联谐振变换器相似，为了阻抗匹配，需要增加一个输出滤波电感。串并联谐振变换器综合了串联谐振变换器和并联谐振变换器的优点。与并联谐振变换器相比，增 13 加了由rL和rC组成的串联谐振腔串联在负载电流回路，有效地限制了无功能量的产生；与串联谐振变换器相比，由于并联电容pC的存在，又使得串并联谐振变换器在空载条件下能很好地实现对输出电压的调整。VinTCVoVD1RLVT1NpNs1VD3VD2VD4VT2Ns2CrLrVS

43、LfCp 图2-7 半桥串并联谐振变换器 Fig.2-7 Half Bridge Series Parallel Resonant Converter 图2-8 串并联谐振变换器的直流增益特性和工作区域 Fig.2-8 DC Characteristic and Operating Region of SPRC 类似于串联谐振和并联谐振变换器，为了实现零电压开关特性，串并联谐振变换器工作频率也高于谐振频率(即图 2-8 中谐振频率rf右侧)。从图中工作区域可见，相比于串联谐振变换器，当负载波动时串并联谐振变换器工作频率变化范围要小得多。串并联谐振变换器综合了串联谐振和并联谐振变换器的优点。产生

44、的无功能量更小，对负载的变化也不敏感。但在宽电压范围输入条件下，通态损耗和开关损耗也在输入电压较高时较大。以上分析比较了串联谐振变换器，并联谐振变换器和串并联谐振变换器的基本工作原理，可见它们都不适合运行在宽电压范围输入条件下。高输入电压对应 14 着高工作频率，会带来很高的通态损耗和开关损耗。为了得到更高效率的变换器，需要再寻找合适的拓扑结构。2.2.4.4 LLC 谐振变换器 71213 LLC 谐振变换器是一种适合工作在宽输入电压范围的软开关拓扑。它事实上已经存在了很长时间，但由于对其特性的误解，将其归类于串联谐振变换器。近年来，人们发现它还具有一些传统谐振变换器不具备的优越特性，如输入

45、电压范围宽、频率调整范围小、拓扑结构简单、容易实现磁集成等。LLC 谐振变换器的电路拓扑结构如图 2-9 所示，图 2-10 显示其直流增益特性。传统串联谐振变换器中的励磁电感mL要比谐振电感rL大很多，而不参与谐振。LLC 串联谐振变换器中励磁电感mL的电感量和谐振电感rL的电感量数值相差不会很大，励磁电感也参与谐振。LLC 型半桥谐振变换器拓扑也是一种串并联谐振结构，其谐振腔由三个谐振元件组成。从本节前面的分析中可知，串联谐振变换器主要缺点为轻载条件下输出电压无法调整；并联谐振变换器主要缺点为轻载条件下变换器谐振电流仍然较大，导致轻载效率下降。而使用三个谐振元件构成谐振腔的串并联谐振变换器

46、，表现出比 LC 谐振腔更加优越的特性。而 LLC谐振腔具有多谐振荡器的特性，其本征谐振频率点(即直流增益最大点)随着负载变化而改变，相比 SPRC（LCC）谐振变换器，LLC 谐振变换器可以在很宽的频率范围实现零电压开关。VinTCVoVD1RLVT1NpNs1VD3VD2VD4VT2Ns2CrLrVSLmC1C2 图2-9 半桥 LLC 谐振变换器 Fig.2-9 Half Bridge LLC Resonant Converter 15 图2-10 LLC 谐振变换器的直流增益 Fig.2-10 DC Characteristic of LLC 在图 2-10 的 LLC 直流增益特性曲

47、线图里，细虚线所连接的是不同负载条件下的增益曲线峰值，即对应的 LLC 本征谐振频率mf。与三种传统的谐振变换器一样，细虚线左边部分为变换器零电流软开关实现形式，右边部分为变换器零电压软开关实现形式。前面分析中提到，对于 MOSFET 作为开关器件的变换电路，零电压软开关特性可以最大程度降低开关损耗，因此零开关区域成为研究重点。而与三种传统谐振变换器不相同的是，LLC 谐振变换器的零电压实现区域又可以分为两部分，图 2-10 中以特征谐振频率rf（即图中所示粗虚线）为分界，左边部分区域 1 称为变换器升压模式区域，右边部分区域 2 称为变换器降压模式区域。由于 LLC 谐振变换器具有既可升压又

48、可降压的特性，因此 LLC 谐振变换器相比传统谐振变换器有更宽的电压调整范围，软开关特性也更好。2.2.5 半桥谐振变换器拓扑选取 由上分析可知，LLC 谐振变换器既吸收了串联谐振变换器谐振电容所起到的隔直作用和谐振槽路电流随负载轻重而变化，轻载时效率较高的优点；同时又兼具了并联谐振变换器可以工作在空载条件下，对滤波电容的电流脉动电流要求小的特点，所以它是一种比较理想的谐振变换器拓扑。在本课题中，我们选取 LLC谐振拓扑作为设计的 DC/DC 变换器主拓扑，开关管的导通关断状态由谐振控制芯片实现。16 2.3 PFC 电路设计方案 按照使用元器件来分类，可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正

49、（APFC）电路。无源 PFC 电路通过在输入端加入大容量的电感、电容等无源元件来改善波形，缺点是重量及体积庞大，对于不同负载效果不同，峰值电流较高易造成交流电流失真，效率及 PF 值较低。相较之下，工作在高频下的主动 PFC电路因具有多重优点而得到越来越广泛的应用。在本课题中，考虑整流器的工作环境、体积限制等，选取有源功率因数校正（APFC）电路。具体来说，目前有源 PFC 技术关注最多的主要有以下两类电路结构形式：一是两级 APFC 电路，二是单级 APFC 电路。两级 APFC 电路通常由一个专门负责功率因数校正的前置级和一个 DC/DC 变换器构成，这一前置的功率级大多采用 Boost

50、 电路。单级 APFC 电路则是在两级的基础上对其简化进行专门研究。2.3.1 APFC 拓扑结构 从原理上说，任何一种 DC/DC 变换器拓扑，都可作为 APFC 的主电路。常见的功率因数校正器的基本电路主要有 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk 四种变形式。下面分别介绍这几种拓扑。2.3.1.1 降压（Buck）变换器 Buck 变换器将一输入电压变换成一较低的稳定同相输出电压。其典型电路拓扑如图 2-11 所示。器件TV为开关元件，导通与关断受其门级信号控制。L和C分别为滤波电感和滤波电容。DV为续流二极管，作用是在开关元件关断时使电路中的电流连续。VinVoLCRLVT