閆朝陽，秦海寧，鄭倩男，張青山，田 萌

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室,秦皇島066004）

一種雙電感結(jié)構(gòu)的LLC諧振型PFC AC-DC變換器

閆朝陽，秦海寧，鄭倩男，張青山，田 萌

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室,秦皇島066004）

傳統(tǒng)的AC-DC電源多采用二極管整流，由于大濾波電容和不控器件的存在，造成電路本身功率因數(shù)較低，且會對電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生嚴重的諧波污染。一般方法多采用再級聯(lián)一級功率因數(shù)校正（PFC）電路，來解決諧波污染和功率因數(shù)較低的問題，但由此增加了電路級數(shù)，增加了電路結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜度，降低了電路的效率。研究了一種基于雙電感結(jié)構(gòu)的具有PFC功能的LLC諧振型AC-DC變換電路，單級電路可以實現(xiàn)高功率因數(shù)能量變換，提高了電路傳輸效率。該電路不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)LLC諧振變換，保證開關(guān)管以軟開關(guān)方式工作，而且采用雙電感結(jié)構(gòu)的PFC電路，運用并聯(lián)交錯技術(shù)，較好地克服了電流斷續(xù)型PFC電路輸入電流諧波畸變較大的問題。對該電路拓撲進行了理論分析和仿真研究，實驗驗證了該電路拓撲的可行性。

AC-DC變換；功率因數(shù)校正；LLC諧振；雙電感結(jié)構(gòu)；單級電路

傳統(tǒng)開關(guān)電源中，直流電主要靠二極管整流電路從交流電網(wǎng)獲得，其輸入電流諧波含量較高，大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射干擾，對電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴重的諧波污染。電力電子裝置的廣泛使用給電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染。一些國家和組織相繼制定、頒布了相關(guān)標準（如國際電工委員會的IE555-2等）對此進行限制[1]。功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）技術(shù)可以有效提高電路的功率因數(shù)，降低對電網(wǎng)側(cè)的諧波污染，因此單級PFC AC-DC電源備受矚目[2,3]。

本文研究一種新型單級PFC AC-DC變換電路，該AC-DC變換器由Boost型PFC環(huán)節(jié)和LLC諧振DC-DC變換環(huán)節(jié)構(gòu)成[4]。該電路所采用的雙電感結(jié)構(gòu)的PFC電路與隔離型半橋LLC諧振變換器共用主功率開關(guān)管，形成單級型具有PFC作用的AC-DC變換器。其中雙電感結(jié)構(gòu)中兩路Boost型PFC電路工作于交錯并聯(lián)狀態(tài)，解決電流斷續(xù)帶來的諧波畸變率大等問題，同時，LLC諧振變換器可在寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)ZVS（zero-voltage-switching）和副邊整流管的零電流開關(guān) ZCS（zero-current-switching）[5]，提高了電路效率。

1 單級型LLC諧振PFC AC-DC變換電路拓撲及其PFC功能實現(xiàn)分析

1.1 單級型LLC諧振PFC AC-DC變換電路拓撲

具有雙電感結(jié)構(gòu)的LLC諧振型PFC AC-DC變換電路拓撲如圖1所示。該電路主要由雙電感型PFC電路和傳統(tǒng)的隔離型半橋LLC諧振型DC-DC變換電路耦合而成，兩電路共用主功率開關(guān)管，形成單級電路。

工作時輸入交流電壓經(jīng)二極管整流電路整流，當開關(guān)管S1、S2交替導(dǎo)通，雙電感Lb1、Lb2與電容 C1和C2、濾波電容Cb、開關(guān)管的反并聯(lián)二極管DS1、DS2構(gòu)成兩路Boost型PFC電路，兩電路以交錯并聯(lián)方式工作于電感電流斷續(xù)狀態(tài)，電感電流疊加形成輸入電流，輸入電流保持連續(xù)狀態(tài)，跟蹤輸入電壓，克服了電感電流斷續(xù)型PFC電路輸入電流諧波畸變率大的問題，同時2個電容各分擔(dān)輸入電壓的一半，減小功率開關(guān)管損耗和對開關(guān)管的應(yīng)力；此時，雙電感型PFC電路輸出為直流脈沖電壓，經(jīng)LLC諧振網(wǎng)絡(luò)形成的正負交替脈沖電壓，由變壓器輸出到副邊，經(jīng)濾波電路，最終實現(xiàn)直流穩(wěn)壓輸出。本質(zhì)而言，該拓撲中的LLC諧振變換屬于LLC-4型[6]，電路可采用變頻控制，在一定頻率范圍內(nèi)，LLC諧振變換器可以在較寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管ZVS，且變壓器副邊整流二極管能實現(xiàn)ZCS[7]，從而減小損耗提高效率。

圖1 雙電感結(jié)構(gòu)PFC LLC諧振型AC-DC變換電路Fig.1 LLC resonant AC-DC topology with PFC function based on double inductor structure

1.2 PFC功能的實現(xiàn)分析

Boost型功率因數(shù)校正變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸入電流紋波和器件導(dǎo)通損耗很小及工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備PFC電路中[8]。本文研究的雙電感結(jié)構(gòu)PFC LLC諧振型AC-DC變換器中，兩主功率開關(guān)交替導(dǎo)通，與雙電感結(jié)構(gòu)組成兩路Boost電路，如圖2所示，是單級型電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正的關(guān)鍵。圖中，C1、S1、DL1、Lb1、DS2、Cb共同組成第 1 個 Boost電路，C2、DL2、Lb2、S2、DS1、Cb共同組成第 2 個 Boost電路， 兩路電路工作于交錯并聯(lián)方式。交錯并聯(lián)Boost可以減小開關(guān)管的電流應(yīng)力，輸出電流紋波較小，同時輸出電流紋波頻率為開關(guān)頻率的2倍，可以減小無源濾波器的體積[9]。

圖2 雙電感結(jié)構(gòu)Boost電路Fig.2 Boost circuit with double inductor structure

對于Boost型功率因數(shù)校正電路，根據(jù)電感電流是否連續(xù)，有3種工作模式：連續(xù)導(dǎo)電CCM模式（continuous conduction mode）、斷續(xù)導(dǎo)電 DCM 模式（discontinuous conduction mode）和臨界導(dǎo)電CRM模式（critical conduction mode）[10,11]。 當Boost電路工作于DCM模式、開關(guān)管導(dǎo)通時，加在電感上的輸入電壓為

可得到DCM模式下在一個周期的輸入電流峰值為

式中：Vin為輸入電壓；Lb1為電感值；ton為導(dǎo)通時間。該模式下導(dǎo)通時間和電感值不變，電流峰值只與輸入電壓Vin有關(guān)，電流峰值自動跟隨電壓幅值變化，自動實現(xiàn)PFC，但Boost電路電感電流峰值將高于平均電流，器件要承受較大的電流應(yīng)力，增加了開關(guān)損耗，同時輸入電流諧波畸變較大。

本文所采用雙電感結(jié)構(gòu)PFC電路中的2個Boost電路均工作在DCM模式下，2個電容C1和C2各承擔(dān)輸入電壓幅值的一半，作為Boost電路的輸入電壓，一定程度上減小了電流峰值對開關(guān)管造成的電流應(yīng)力和開關(guān)損耗，當開關(guān)管S1、S2交替導(dǎo)通時，雙電感結(jié)構(gòu)中的兩路Boost電路處于交錯并聯(lián)工作方式，輸入電流為兩路Boost電路電感電流的疊加，原理示意如圖3所示。

當開關(guān)管S2導(dǎo)通時，流過電感Lb1的電流為0，此時電路電流流向如圖3（a）所示。其中電感Lb2處于儲能階段，電容C2的電壓加在Lb2上，電感電流iL2線性增加，雙電感結(jié)構(gòu)中電流由二極管整流電路流出，經(jīng) C1、S2、二極管 DL2、Lb2流回整流電路側(cè)，此時諧振電流ir經(jīng)S2流動，變壓器副邊D2導(dǎo)通，經(jīng)濾波電容向負載提供直流電壓；當開關(guān)S1開通S2關(guān)斷，電感Lb1處于儲能階段，流過電感Lb2的電流iL2續(xù)流，其電流流向如圖3（b）所示，電感電流iL1方向為：由二極管整流電路流出，經(jīng)二極管DL1、電感Lb1、開關(guān)管S1、電容C2流入整流側(cè)，流過電感Lb2的電流續(xù)流，從電容Cb流出，經(jīng)二極管DL2和電感Lb2流入整流側(cè)，即儲能階段的電感電流iL1與續(xù)流階段的電感電流iL2疊加，避免開關(guān)管關(guān)斷期間輸入電流的斷續(xù)狀態(tài)，使輸入電流保持連續(xù)。

上述開關(guān)切換過程分析暫未考慮死區(qū)帶來的影響，電路工作過程的工作模態(tài)詳細分析如下。

圖3 Boost電路電流疊加原理示意Fig.3 Schematic diagram of current superposition principle of boost circuit

2 工作模態(tài)

傳統(tǒng)LLC諧振變換器有2個諧振頻率：串聯(lián)電感與串聯(lián)電容形成的串聯(lián)諧振頻率fs；串聯(lián)電感、并聯(lián)電感和串聯(lián)電容形成的串并聯(lián)諧振頻率fm[12,13]，分別表示為

根據(jù)開關(guān)頻率f的不同，變換器存在3種工作模式[14]，當LLC諧振電路頻率在fm＜f＜fs范圍內(nèi)時，電路中的主開關(guān)管可實現(xiàn)全電壓輸入范圍、全負載條件下的ZVS,可在高頻工作情況下使開關(guān)損耗最小化[15]。電路頻率在fm＜f＜fs范圍內(nèi)，一個周期可以劃分為12個工作模態(tài)（考慮死區(qū)時間），下半周期的工作模態(tài)與上半周期相似，僅以上半周期為例進行分析。

圖4所示的電路主要波形中，vgs1、vgs2為開關(guān)管S1、S2驅(qū)動電壓波形，iL1、iL2為兩路 Boost電路的電感電流，ir為諧振電流，im為勵磁電流，iD1、iD2為流過變壓器副邊二極管D1、D2的電流。雙電感結(jié)構(gòu)PFC LLC諧振型AC-DC電路工作模型如圖5所示。

工作模態(tài) 1：當 t1＜t＜t2時，S2關(guān)斷，S1尚未開通，電路處于死區(qū)時間。此時，流過Lb2的電流通過S1反并聯(lián)二極管、濾波電容Cb續(xù)流下降，即雙電感電路輸入電流通過電容C1、S1反并聯(lián)二極管、電容Cb、DL2、Lb2流回整流電路，此時C1處于充電狀態(tài)，電容C2處于放電狀態(tài)；在LLC諧振電路中，諧振電流ir反向流動，經(jīng)電感 Lr、電容 Cr、S1反并聯(lián)二極管、Cb和電感Lm續(xù)流減小，此時諧振電流對S1的寄生電容放電，當開關(guān)管兩端電壓為零時，反并聯(lián)二極管鉗位電壓，為零電壓開通提供條件，此時勵磁電流im線性減小，與諧振電流之差提供變壓器輸出電流，變壓器副邊二極管D1導(dǎo)通，經(jīng)濾波電容C3向負載提供電壓，直到S1開通，該模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài) 2：當 t2＜t＜t3時，S1零電壓開通，電路處于換流狀態(tài)。此時在雙電感結(jié)構(gòu)中，流過電感Lb2的電流依照模態(tài)1電流方向流通，續(xù)流減小。開關(guān)管S1的開通使流過電感Lb1的電流線性增加，兩電感電流疊加，作為輸入電流；此時，LLC諧振電流ir仍為負，經(jīng)過電感 Lr、電容 Cr、開關(guān)管 S1的反并聯(lián)二極管、濾波電容Cb、電感Lm而續(xù)流減小，勵磁電感電流im線性減小，與諧振電流之差提供變壓器輸出電流，D1導(dǎo)通，此階段諧振電流為負值，使開關(guān)管S1開通前仍流過反向電流，保證開關(guān)管零電壓開通，當諧振電流ir過0時，該模態(tài)結(jié)束。

圖4 電路諧振工作主要波形Fig.4 Main waveforms of circuit resonance working

圖5 雙電感結(jié)構(gòu)PFC LLC諧振型AC-DC電路工作模態(tài)Fig.5 Working modes of LLC resonant AC-DC circuit with PFC function based on double inductor structure

工作模態(tài) 3：當 t3＜t＜t4時，S2關(guān)斷，S1開通，諧振電流ir過0時，該模態(tài)開始。此時雙電感結(jié)構(gòu)中，流過電感 Lb1電流的經(jīng) DL1、電感 Lb1、開關(guān)管 S1、電容C2流通，流過電感Lb2的電流由電容Cb流出，經(jīng)DL2和電感Lb2流入整流電路，兩電流疊加，形成連續(xù)的輸入電流；此時在LLC諧振電路中，諧振電流按正弦變化，勵磁電流由負值趨向于0。兩電流共同流過變壓器原邊，此時D1導(dǎo)通。當流過電感Lb2的電流為0時，該模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài) 4：當 t4＜t＜t5時，S2關(guān)斷，S1開通，電感電流iL2為0時，該模態(tài)開始。此時雙電感PFC電路中，流過電感Lb1的電流經(jīng)二極管DL1、電感Lb1、開關(guān)管S1、電容C2流入整流電路，保證了輸入電流連續(xù)；此階段諧振電流ir仍呈正弦規(guī)律變化，流過勵磁電感Lm的電流由負值變化到0，兩電流共同流過變壓器原邊，此時D1導(dǎo)通，當勵磁電感電流im過0時，該模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài) 5：當 t5＜t＜t6時，S2關(guān)斷，S1開通，流過勵磁電感Lm的電流過0時，該模態(tài)開始。此時雙電感電路中，輸入電流仍由流過電感Lb1的電流提供，經(jīng)二極管 DL1、電感 Lb1、開關(guān)管 S1、電容 C2流入整流電路，與前一模態(tài)相同；此時諧振電流ir仍呈正弦諧振變化，流過勵磁電感Lm的電流由0正向線性增加，其與諧振電流之差為變壓器提供輸出電流，D1導(dǎo)通，直到電流ir和勵磁電流im相等時，即變壓器無電流輸出時，該模態(tài)結(jié)束。

工作模態(tài) 6：當 t6＜t＜t7時，S2關(guān)斷，S1開通，勵磁電感電流im和諧振電流ir相等時，該模態(tài)開始。此時雙電感電路中，輸入電流由流過電感Lb1的電流提供，方向仍依次經(jīng)二極管DL1、電感Lb1、開關(guān)管S1、電容C2流入整流電路，且線性增加，與前一模態(tài)相同；此階段諧振電流ir與勵磁電感電流im相等，變壓器副邊無電流輸出，D1零電流自然關(guān)斷，由電容C3向負載提供能量，避免二極管反向電流的問題，直到S1關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

3 仿真及實驗研究

3.1 仿真研究

使用PSIM軟件對雙電感結(jié)構(gòu)LLC諧振型PFC AC-DC變換電路進行仿真分析，設(shè)置功率為400 W，輸入電壓為220 V交流電，2個輸入電感均為44.8 μH，諧振電容為40 nF，諧振電感為60 μH，勵磁電感為340 μH，變壓器原副邊匝數(shù)比為5:1，具體LLC參數(shù)設(shè)計見文獻[16-18]。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙電感結(jié)構(gòu)LLC諧振型PFC AC-DC變換電路仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of LLC resonant AC-DC circuit with PFC function based on a double inductor structure

圖6（a）、（b）分別為雙電感結(jié)構(gòu)中電感電流iLb1、iLb2和iin波形。由圖可以看出，兩電感電流均處于電流斷續(xù)狀態(tài)，輸入電流為兩電感電流之和，功率因數(shù)得到提升。仿真結(jié)果與理論分析均證明該電路可以較好地實現(xiàn)PFC。

圖 6（c）、（d）分別為電路工作頻率 f＜fs時，諧振電流iLr和變壓器副邊二極管電流ir波形。圖（c）中諧振電流波形出現(xiàn)“臺階”狀，此時出現(xiàn)三元件諧振狀態(tài)；圖（d）顯示變壓器副邊整流二極管處于電流斷續(xù)狀態(tài)，二極管實現(xiàn)了零電流自然關(guān)斷。仿真波形與諧振變換器模態(tài)理論分析一致。

采用變頻控制對電路進行了閉環(huán)仿真，加入100 Hz的負載擾動，圖6（e）為在負載擾動情況下的輸出電壓Vo和頻率波形。由圖可以看出，變頻控制使系統(tǒng)得到穩(wěn)定的輸出電壓，并且通過頻率變化實現(xiàn)變頻控制，起到較好的調(diào)節(jié)作用，驗證了該電路拓撲變頻控制方案的可行性。

3.2 實驗驗證

為了驗證工作原理，搭建功率為50 W的實驗平臺，輸入50 Hz/120 V的交流電，輸出20 V/2.5 A，諧振電容為20 nF，諧振電感為120 μH，勵磁電感為680 μH，采用DSP數(shù)字控制，所得實驗波形如圖7所示。

圖7（a）為電感電流iLb2的實驗波形，電流為饅頭波狀，可以自動實現(xiàn)PFC與仿真結(jié)果一致；圖7（b）為雙電感型PFC電路輸出的直流母線電壓，可以看出雙電感型PFC電路可以在一定程度上為后級電路提供穩(wěn)定的直流電壓；圖 7（c）、（d）分別為工作頻率f=fs和f＜fs時諧振電流波形，當電路開關(guān)頻率在諧振點fs時，諧振電流處于正弦諧振狀態(tài)；當電路開關(guān)頻率小于諧振頻率fs時，諧振電流出現(xiàn)“臺階”狀，發(fā)生勵磁電感、諧振電感、諧振電容三元件諧振狀態(tài)，諧振變換器工作狀態(tài)與仿真研究一致。

圖7 雙電感結(jié)構(gòu)LLC諧振型PFC AC-DC變換電路實驗波形Fig.7 Experimental waveforms of LLC resonant AC-DC circuit with PFC function based on a double inductor structure

4 結(jié)論

（1）本文所研究的雙電感結(jié)構(gòu)LLC諧振型PFC AC-DC變換電路可以以單級電路實現(xiàn)PFC功能和LLC諧振變換，能夠減小輸入電流諧波畸變，降低電路級數(shù)，提高電路效率。

（2）LLC 諧振型 PFC AC-DC 變換器工作在 fs＜f時，變壓器副邊二極管可實現(xiàn)零電流自然關(guān)斷，消除二極管反向關(guān)斷電流帶來的影響，實驗和仿真驗證了電路的工作模態(tài)。

（3）對雙電感結(jié)構(gòu)LLC諧振型PFC AC-DC變換器拓撲應(yīng)用變頻閉環(huán)控制，能夠獲得穩(wěn)定的輸出電壓。仿真證實了該電路拓撲變頻控制策略的可行性。

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[18]胡海兵,王萬寶,孫文進,等.LLC諧振變換器效率優(yōu)化設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報,2013,33（18）:48-56.Hu Haibing,Wang Wanbao,Sun Wenjin,et al.Optimal efficiency design of LLC resonant converters[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（18）:48-56（in Chinese）.

閆朝陽

閆朝陽 （1976－）,男,中國電源學(xué)會高級會員，通信作者，博士,副教授,研究方向：開關(guān)電源、電動汽車及清潔能源發(fā)電,E-mail：yanzy@ysu.edu.cn。

秦海寧（1990－）,男,碩士研究生,研究方向：采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻鏈變換器,E-mail：qinlang929@sina.com 。

鄭倩男 （1991－）,女,碩士研究生,研究方向：面向V2G的高頻鏈功率變換系統(tǒng),E-mail：zqn1293630690@sina.com。

張青山 （1990－）,男,碩士研究生,研究方向：無功補償與諧波抑制,E-mail：zqs_1230@163.com。

田萌 （1989－）,女,碩士研究生,研究方向：LLC變換器及其應(yīng)用,E-mail：tianm eng186@sina.com。

A LLC Resonant AC-DC Converter with PFC Function Based on Double Inductor Structure

YAN Zhaoyang,QIN Haining,ZHENG Qiannan,ZHANG Qingshan,TIAN Meng
（Key Lab of Power Electronics for Energy Conversion and Motor Drive of Hebei Province,School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

The traditional AC-DC power supply usually uses diode rectifier.The existence of the large filter capacitor and uncontrolled device causes low power factor and produces serious harmonic pollution to the power grid side.In order to solve the above problems,a PFC（power factor correction） circuit is cascaded.However,this method increases the stage of the circuit,reduces the efficiency of the circuit and makes the structure and control of the circuit complex.In this paper,a LLC resonant AC-DC converter with PFC function based on a double inductor structure circuit is studied to realize the single-stage power conversion and improve the transmission efficiency.The circuit not only can realize the traditional LLC resonant conversion which guarantees switch tubes to work in soft switching mode,but also can overcome the problem of large harmonic distortion of the input current in discontinuous mode PFC circuit,using parallel interleaving technology to the double inductor structure PFC circuit.Theoretical analysis and simulation study are carried out,and the experiments are conducted to verify the feasibility of the circuit.

AC-DC converter;power factor correction（PFC）;LLC resonance;the double inductor structure;single-stage circuit

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.127

TM461

A

2015-12-25；

2016-04-28

河北省自然科學(xué)基金資助項目（E2014203091）；燕山大學(xué)青年教師自主研究計劃課題A類資助項目（14LGA 009）

Project Supported by Natural Science Foundation of Hebei Province（E2014203091）;Independent Research for Young Teachers of Yanshan University（14LGA009）