周景恒,朱文章*,陳一逢,葉圣哲,丁含章,肖慧晨,周 犇
(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建 廈門 361024;2.廈門愛維達(dá)科技工程有限公司,福建 廈門 361028)
移動數(shù)據(jù)流量的快速增長為人們的通信提供了便利,在構(gòu)建經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中,5G 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。5G意味著組網(wǎng)方式發(fā)生了改變,5G基站功耗比4G基站大幅增長[1]。而通信電源能耗的增加則導(dǎo)致發(fā)熱量急劇增加,從而使基站的工作效率降低。因此,如何減少功耗和提高基站工作效率成為當(dāng)前廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。大量學(xué)者對如何提高變換器工作效率進(jìn)行了研究,如文獻(xiàn)[2-3]提出了一種交錯并聯(lián) Boost 功率因數(shù)修正(power factor correction,PFC)電路,可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷,具有輸入電流脈動小、驅(qū)動設(shè)計簡單等優(yōu)點(diǎn),同時,交錯控制技術(shù)可增加等效開關(guān)頻率,減小輸入電流和輸出電容紋波,但仍存在電流采樣精度與EMI的問題;文獻(xiàn)[4]對LLC 變換器的多電平控制策略、多電平工作模式及其對輸入電壓適應(yīng)性的影響進(jìn)行了分析,與傳統(tǒng) LLC 變換器相比,運(yùn)用多電平控制的LLC變換器的效率得到優(yōu)化,但控制環(huán)路比較復(fù)雜且電路中元器件數(shù)量增多;文獻(xiàn)[5-7]對半橋 LLC 諧振變換器進(jìn)行分析,解決了直接采用開關(guān)頻率調(diào)制半橋 LLC 諧振變換器存在的動態(tài)性能不佳問題,但當(dāng)負(fù)載變化較大時,LLC諧振變換器動態(tài)性能容易產(chǎn)生偏差,超出諧振點(diǎn)范圍;文獻(xiàn)[8-10]應(yīng)用新型材料件(SiC、GaN)制作功率開關(guān)管器,它的導(dǎo)通阻抗少、發(fā)熱量低,能有效降低開關(guān)損耗,但由于造價成本過高,不利于廣泛推廣應(yīng)用。
針對輕重負(fù)載切換效率不高的問題,本文對傳統(tǒng)的前級功率因數(shù)校正電路加后級 DC-DC 諧振電路的兩級式電路結(jié)構(gòu)的通信電源進(jìn)行優(yōu)化,且針對通信電源負(fù)載容易突變的情況,要求后級 LLC 諧振變換器具有良好的動態(tài)性。
兩級式功率拓?fù)錇闊o橋PFC與半橋式LLC諧振變換器串聯(lián)而成。前級電路采用無橋PFC電路,主要原因在于電壓量是交變的,當(dāng)交變的電壓量后面是一個阻性負(fù)載,電阻上電壓與電流是線性變化的關(guān)系處于同相位,而實(shí)際中負(fù)載更多是以感性負(fù)載或容性負(fù)載出現(xiàn),此時電壓和電流的關(guān)系是非線性,相位上也不一致,這就導(dǎo)致了功率的畸變和諧波,且同時污染了交流電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境。無橋PFC電路可矯正輸入電壓與電流的相位差,有效解決了功率畸變和諧波的問題。后級LLC電路將電容(電流超前電壓)和電感(電流滯后電壓)組合在一起(諧振腔),讓其相位具有補(bǔ)償性,適當(dāng)調(diào)整信號的頻率與電感電容的參數(shù),解決了開關(guān)管上的開通損耗和發(fā)熱問題,降低了變換器的開關(guān)損耗,提高了變換器的效率。
圖1為兩級式交直流變換器結(jié)構(gòu)圖。其中,雙開關(guān)無橋PFC。正半周期分為2個工作狀態(tài):狀態(tài)1為電感L儲能,Q2、Q1導(dǎo)通;狀態(tài)2為電感L放電,D1、D4導(dǎo)通。同理,負(fù)半周期也分為2個工作狀態(tài):狀態(tài)1為電感L儲能,Q1、Q2導(dǎo)通;狀態(tài)2為電感L放電,D2、D3導(dǎo)通。C1為前級濾波儲能電容,其中D1與D2為快速反向恢復(fù)特性的二極管,D3與D4為慢速反向恢復(fù)特性的二極管(慢恢復(fù)二極管的時間為快速反向恢復(fù)特性二極管D1、D2的反向恢復(fù)時間的兩倍)。LLC諧振變換器由諧振電感Ls、諧振電容 C2與變壓器T 的原邊勵磁電感Lm組成。原邊勵磁電感Lm被副邊輸出電壓鉗位,不參與能量傳遞,其主要作用是實(shí)現(xiàn)諧振環(huán)路的ZVS。D5、D6為輸出整流二極管。
圖1 兩級式交直流變換器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of two-stage AC-DC converter
圖2為 PFC電路的關(guān)鍵波形。1){T0~T1}階段。T0時刻,輸入交流電壓Vac的正半周期,雙向開關(guān)管(Q1,Q2)關(guān)閉,電感L通過整流二極管D1和D4將存儲的能量放電到輸出電容C1進(jìn)行續(xù)流,從而在輸出電容C1上產(chǎn)生輸出電壓Vo。快恢復(fù)管D1很快的恢復(fù)反向截止,而D4由于慢恢復(fù)的特性依然處于慢反向恢復(fù)的狀態(tài),D4保持較長時間的正向?qū)ǖ臓顟B(tài)。2){T1~T2}階段。從T1時刻開始,輸入交流電壓Vac的正半周期期間,雙向開關(guān)(Q1,Q2)開通,輸入AC電壓Vin直接作用在電感L,將能量存儲在升壓電感L中。由于D4為慢恢復(fù)二極管在此區(qū)間內(nèi)仍處于導(dǎo)通的狀態(tài),將N線鉗位至母線電容C1的地中,防止因?yàn)殡p向開關(guān)管子N線產(chǎn)生高頻的跳動,在正半周期D4兩端電壓為0。3){T3~T4}階段。輸入交流電壓Vac的負(fù)半周期,當(dāng)開關(guān)管(Q1,Q2)關(guān)斷時,二極管D3與D2正向?qū)?,電感電流依次從D2、母線電容二極管D3進(jìn)行續(xù)流,此時電感電流IL是線性下降的,在此期間,開關(guān)管Q2與D1兩端的電壓是母線電壓,開關(guān)管Q1由于體二極管鉗位的作用,DS電壓一直為0。4){T4~T5}階段。輸入交流電壓Vac負(fù)半周期,雙向開關(guān)(Q1,Q2)導(dǎo)通,交流輸入經(jīng)過Q1與Q2,電感L電流持續(xù)上升,由于D3慢恢復(fù)二極管的特性在此區(qū)間內(nèi)仍處于導(dǎo)通的狀態(tài),將N線鉗位至母線電容C1的正端中。
圖2 PFC電路關(guān)鍵波形Fig.2 Key waveform of PFC circuit
圖3為LLC電路的關(guān)鍵波形。1){T0~T1}階段。{T0}時刻前是死區(qū)時間,S3與S4開關(guān)管承受著Vbus的電壓,{T0}時刻后,S3導(dǎo)通,諧振電感Ls和諧振電容C2與初級線圈形成回路,對各個器件進(jìn)行充電,除Lm勵磁電感被副邊鉗位外,Ls和C2參與諧振,此時由于變壓器正激的關(guān)系進(jìn)行原副邊能量傳輸,D5導(dǎo)通。2){T1~T2}階段。T1時刻,Lm勵磁電感仍被鉗位,Im電流從負(fù)端往正端減少,到T2時刻減少為0,原副邊能量保持傳輸,D5保持導(dǎo)通。3){T2~T3}階段。T2時刻,Lm勵磁電感仍被鉗位,Is和Im電流共同保持上升,到T3時刻,Is與Im上升至同一位置,原副邊能量保持傳輸,D5保持導(dǎo)通。4){T3~T4}階段。T3時刻,Is與Im相等時,Im勵磁電感不在被鉗位參與諧振,且原副邊之間不再傳遞能量,負(fù)載由輸出電容C3單獨(dú)提供能量,且D5實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。5){T4~T5}階段。此時S3關(guān)斷同時S4保持關(guān)斷,進(jìn)入死區(qū)時間,結(jié)電容Cs3電壓從0 V開始充電,結(jié)電容Cs4從Vbus電壓開始放電,至T5時刻Cs3與Cs4充放電完成。這階段內(nèi)保持原副邊之間不再傳遞能量,負(fù)載由輸出電容C3單獨(dú)提供能量。6){T5~T6}階段。由于T5時刻Cs4放電完成且被體二極管鉗位壓降為0 V時,在T5時刻之后,S4開關(guān)管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)零電壓開通。由于副邊二極管D4導(dǎo)通給原邊勵磁電流的釋放提供了通路因此變壓器原副邊之間恢復(fù)能量的傳遞。7){T6~T12}階段。后級LLC電路繼續(xù)實(shí)現(xiàn)S3的零電壓開通,與以上過程相同,因此不再贅述。
圖3 LLC電路關(guān)鍵波形Fig.3 Key waveform of LLC circuit
在PFC與LLC電路中有大量功率開關(guān)管MOSFET和二極管,在電路的應(yīng)用中不斷地對功率管進(jìn)行開關(guān),導(dǎo)致MOSFET和二極管產(chǎn)生了大量的開關(guān)損耗。PFC電路上開關(guān)管S1和S2主要產(chǎn)生了開通損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗3種損耗[11];LLC電路S3、S4因?yàn)槠滠涢_關(guān)零電壓開通緣故,只有關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗,D3和D4二極管有開通和關(guān)斷損耗。而LLC諧振變換器效率往往會受到關(guān)斷損耗的影響,關(guān)斷損耗公式為
(1)
式(1)中:tfall為開關(guān)管的關(guān)斷時間;Chb為半橋的等效容值;Ioff為開關(guān)管關(guān)斷時間的電流值;f為開關(guān)頻率。
開關(guān)管的損耗大部分來源于MOSFET開通時的平臺區(qū)域,原因在于,在開關(guān)平臺過程中,MOSEFT內(nèi)部Rdson的阻值從最大到最小或從最小到最大,當(dāng)開通與關(guān)斷時,電流與電壓的疊加組成了開關(guān)損耗。
對于開通與關(guān)斷損耗的計算采用二分之一法進(jìn)行計算:
(2)
式(2)中:V為開關(guān)時開關(guān)管的電壓值;I為開關(guān)時開關(guān)管的電流值。
在理想的情況下,平臺區(qū)域沒有振蕩。實(shí)際上,由于頻繁地對開關(guān)管進(jìn)行開通,不僅會產(chǎn)生開通與關(guān)斷損耗,而且平臺區(qū)域內(nèi)的振蕩會影響開關(guān)過程中Rdson的阻值且造成開關(guān)管的發(fā)熱。這段區(qū)域是MOSEFT在開關(guān)過程中最為危險的區(qū)域,絕大多數(shù)的開關(guān)管的損壞都是在這個區(qū)域。為了解決這個問題,在控制環(huán)路中減少電路中部分開關(guān)管的頻率,并保持軟開關(guān)特性。
對LLC變換器諧振腔的增益采用基波近似法(first harmonic approximation,F(xiàn)HA)[12]進(jìn)行推導(dǎo)。把變壓器的勵磁電感兩端電壓的基波分量有效值求出,公式為
(3)
式(3)中:NUo為變壓器副邊折算到原邊的關(guān)系。
將變壓器原邊電流近似看作是正弦波,經(jīng)過負(fù)載側(cè)變壓器、整流管、電容得到的負(fù)載電流實(shí)際上是正弦量的平均值。將副邊負(fù)載等效到變壓器原邊,得到等效負(fù)載為
(4)
式(4)中:Us1_rms為變壓器電壓的有效值;Ip1_rms為變壓器原邊電流的有效值。通過將副邊參數(shù)折算到原邊后得到如圖4所示的電路。
圖4 LLC諧振變換器的FHA等效模型Fig.4 FHA equivalent model of LLC resonant converter
把式(4)代入式(5),得出其輸入阻抗:
(5)
對圖4點(diǎn)A處進(jìn)行分壓,得出LLC變換器諧振腔增益,進(jìn)行歸一化處理后得到:
(6)
(7)
對LLC變換器的總增益的分析可以得到:當(dāng)LLC負(fù)載較輕時,需要系統(tǒng)增加開關(guān)頻率Fs以減小增益M,從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的;反之,當(dāng)LLC負(fù)載較重時,系統(tǒng)需減少開關(guān)頻率Fs,增加輸出電壓增益M,維持輸出電壓穩(wěn)定。
由表1傳統(tǒng)LLC輕重負(fù)載時的增益變化可見,在占空比始終保持不變的情況下,需要不斷地改變LLC開關(guān)頻率,增加了mos管平臺區(qū)域內(nèi)的振蕩。同時,針對通信電源負(fù)載容易突變的工況,要求后級LLC諧振變換器具有良好的動態(tài)性,而LLC諧振變換器動態(tài)性能不佳,無法保證在任何負(fù)載情況下都能工作在最佳工作點(diǎn)[13],因此,需要對LLC變換器的動態(tài)性能進(jìn)行研究。在輕重負(fù)載切換的情況下,為了維持輸出電壓,需要降低或增加增益(在LLC輸入母線電壓不變情況下,實(shí)際會維持電壓增益變化趨勢),開關(guān)頻率的增加會導(dǎo)致關(guān)斷損耗增加。所以,在同一參數(shù)下只通過開關(guān)頻率,效率會比較低。而通過改變LLC輸入母線電壓,降低了電壓峰值增益,可以等效于頻率增加所帶來的電壓增益降低。即不需要通過大量調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的方式來維持輸出穩(wěn)定,從而達(dá)到減小開關(guān)頻率和穩(wěn)定最佳頻率工作點(diǎn)的目的。
表1 傳統(tǒng)LLC輕重負(fù)載時的增益變化Table 1 Gain variation of traditional LLC under light and heavy load
針對輕重負(fù)載切換時效率不高的問題,提高LLC諧振變換器的動態(tài)性能,對控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后的控制邏輯圖見圖5。負(fù)載分為2種狀態(tài),狀態(tài)1是負(fù)載保持不變的情況,狀態(tài)2是負(fù)載突變的情況。狀態(tài)1負(fù)載保持不變時,采用傳統(tǒng)的LLC調(diào)頻模式達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載的目的;狀態(tài)2負(fù)載發(fā)生變化時,通過對LLC開關(guān)頻率的采樣把變化量采集到前級PFC電路的控制器中,對PFC電路輸出電壓值進(jìn)行調(diào)壓,以滿足負(fù)載的變化。如圖5所示,Vo_ref為輸出電壓目標(biāo)值,Vo_ref與Vo做差計算后通過PI1比例積分運(yùn)算器計算出當(dāng)前輸出電壓的誤差范圍系數(shù),回傳至PFM控制信號中,調(diào)整LLC工作的參考開關(guān)頻率值。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時,LLC電路開關(guān)頻率發(fā)生變化;當(dāng)變化范圍超過基準(zhǔn)值時,對開關(guān)頻率進(jìn)行鎖死,轉(zhuǎn)換為調(diào)整母線電壓Vbus滿足負(fù)載變化。其中Vbus_ref的給定系數(shù)會由輸出電流Io進(jìn)行調(diào)節(jié)(當(dāng)負(fù)載增大時,Vbus_ref的給定系數(shù)會同樣增大;當(dāng)負(fù)載減少時,給定系數(shù)會同時減小),通過Vbus與給定值Vbus_reff比較,計算出當(dāng)前的誤差值,通過PI2比例積分運(yùn)算器計算出Vb,Vb與Fs頻率反饋系數(shù)疊加,經(jīng)PI3控制器送入前級電路的占空比中,調(diào)節(jié)前級PFC電路PWM信號。
圖5 優(yōu)化后的控制邏輯圖Fig.5 Optimized post-control logic
非傳統(tǒng)增加母線調(diào)制過程:若負(fù)載發(fā)生變化時,開關(guān)頻率的調(diào)制大于所設(shè)定的頻率基準(zhǔn)值,將PFM調(diào)整開關(guān)頻率進(jìn)行鎖死,轉(zhuǎn)換為對母線電壓進(jìn)行調(diào)整。Vbus_ref對當(dāng)前負(fù)載進(jìn)行采樣,通過與當(dāng)前Vbus進(jìn)行比較,給定負(fù)載變化所需調(diào)整母線電壓的范圍,送至PI3控制器,調(diào)整PWM的占空比D和PFC電路的輸出電壓。
通過對控制過程的分析可以得到,在工作過程中,若開關(guān)頻率小于開關(guān)頻率基準(zhǔn),表示當(dāng)前負(fù)載變化量只需通過調(diào)整后級LLC電路開關(guān)頻率就能起到穩(wěn)定輸出電壓的目的。當(dāng)LLC電路開關(guān)頻率下降至給定最小值時,這個最小值便是兩條控制回路的相互交匯點(diǎn),通過對后級LLC電路的開關(guān)頻率進(jìn)行鎖死,將控制量送入前級無橋PFC電路的控制環(huán)節(jié),改變母線電壓值。這種方式降低了電壓峰值增益,可以等效于頻率增加所帶來的電壓增益降低,不需要通過增加開關(guān)頻率的方式來維持輸出穩(wěn)定,從而起到減小開關(guān)頻率的作用。在保證諧振頻率在最佳工作頻率點(diǎn)附近的前提下,既能穩(wěn)定輸出電壓,又能確保輕重負(fù)載在切換時達(dá)到最佳的工作效率。
為驗(yàn)證優(yōu)化方法的有效性,運(yùn)用Matlab/Simulink模塊對控制策略及電路進(jìn)行仿真。電路仿真參數(shù)見表2,并將開關(guān)管的寄生參數(shù)如寄生電容、平臺區(qū)域時間等添加到仿真軟件當(dāng)中。
表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters for grid-connected systems
本文分析不同負(fù)載情況下的母線電壓與輸出電壓波形。母線電壓的調(diào)壓范圍為350~400 V,在負(fù)載100%條件下,母線輸出電壓為400 V,當(dāng)負(fù)載低于40%的條件下,開關(guān)頻率的提高會導(dǎo)致開關(guān)電源效率下降明顯,此時調(diào)整母線電壓,保證輸出電壓恒定的同時又降低開關(guān)頻率,提高電源效率。0~1.5 s母線電壓與輸出電壓的變化情況如圖6所示。圖6(a)中,0~1 s的區(qū)間當(dāng)中保持輕載的情況下,母線電壓的有效值保持在350 V,只需要通過調(diào)整 LLC 電路的開關(guān)頻率來穩(wěn)定輸出電壓;1.0~1.5 s,母線電壓從350 V調(diào)整至370 V,母線電壓隨著輸出電壓下降而下降,此時進(jìn)行頻率限制,提高母線電壓至370 V。由圖6(b)可見,在1 s處,負(fù)載從輕載切換至重載,輸出電壓瞬時下降,需要降低開關(guān)頻率以滿足增益需求。先固定重載下的開關(guān)頻率為69 kHz,再調(diào)整母線電壓。
圖6 0~1.5 s母線電壓與輸出電壓的變化Fig.6 Changes in bus voltage and output voltage from 0 to 1.5 seconds
2.5~3.5 s母線電壓與輸出電壓的變化情況如圖7所示。圖7(a)中,在2.5 s處,負(fù)載從重載切換至輕載,維持開關(guān)頻率69 kHz不變,調(diào)整母線電壓至350 V,此時再根據(jù)增益變化,調(diào)整開關(guān)頻率穩(wěn)定在諧振頻率點(diǎn)附近(略低于諧振頻率)。這樣,可以確保LLC變換器實(shí)現(xiàn)原邊零電壓開通、副邊零電流關(guān)斷的工作狀態(tài)。
圖7 2.5~3.5 s母線電壓與輸出電壓的變化Fig.7 Changes in bus voltage and output voltage from 2.5 to 3.5 seconds
圖8為LLC電路開關(guān)頻率和增益圖。在實(shí)際應(yīng)用中,LLC諧振變換器在全負(fù)載范圍內(nèi),都要工作在感性區(qū)域。滿載設(shè)計在諧振頻率點(diǎn)處,可以實(shí)現(xiàn)高效率。需要注意的是,當(dāng)空載甚至輕載時,開關(guān)頻率需要增高以降低增益,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出,即空載在圖8中a1點(diǎn),在該點(diǎn),輸出整流無法實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。
圖8 LLC電路開關(guān)頻率和增益圖Fig.8 LLC circuit switching frequency and gain
DC-DC開關(guān)管的開關(guān)頻率及LLC副邊二極管電壓電流情況如圖9所示。圖9(a)為傳統(tǒng)調(diào)整開關(guān)頻率控制方式。重載時,開關(guān)頻率控制在70 kHz;輕載時,開關(guān)頻率穩(wěn)定在105 kHz,超過諧振頻率點(diǎn)(100 kHz),副邊整流二極管丟失零電流關(guān)斷工作狀態(tài),如圖9(b)所示,零電流關(guān)斷存在損耗。圖9(c)為調(diào)整母線電壓的控制方式。重載時,開關(guān)頻率控制在70 kHz;輕載時,開關(guān)頻率穩(wěn)定在80 kHz,低于諧振頻率(100 kHz),副邊整流二極管滿足零電流關(guān)斷工作狀態(tài),如圖9(d)所示,零電流關(guān)斷不存在損耗。
圖9 DC-DC開關(guān)管的開關(guān)頻率及LLC副邊二極管電壓電流Fig.9 DC-DC switch tube switch frequency and LLC vice side of the diode voltage and current
由圖9的 DC-DC開關(guān)管的開關(guān)頻率及LLC副邊二極管電壓電流,并對比傳統(tǒng)開關(guān)頻率控制與調(diào)整母線電壓控制方式,可以得到:調(diào)整母線電壓控制方式,一方面,可以確保全負(fù)載范圍內(nèi)滿足LLC諧振變換器工作在原邊零電壓開通、副邊零電流關(guān)斷,降低損耗;另一方面,開關(guān)頻率調(diào)整范圍更小,輕載磁芯損耗小。圖10為傳統(tǒng)控制方式與調(diào)整母線控制方式的電源效率的負(fù)載效率曲線對比圖。由圖10可見,對于傳統(tǒng)控制方式,在負(fù)載低于40%情況下,整體效率下滑明顯,10%負(fù)載時,只有不到80%的效率;而對于調(diào)整母線控制方式,在負(fù)載大于20%的情況下,效率維持在89%以上,10%的負(fù)載條件下有86%的效率,整體效率提升了4.1%。
圖10 負(fù)載效率曲線Fig.10 Load efficiency curve
本文針對通信電源在輕重負(fù)載切換效率不高的問題,通過LLC諧振頻率觸發(fā)母線電壓進(jìn)行調(diào)控,在此基礎(chǔ)上,將前后級電路進(jìn)行聯(lián)動,優(yōu)化傳統(tǒng)LLC控制方式。Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于改變母線電壓的控制方式,能把LLC電路的開關(guān)頻率穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)附近,并能夠保持副邊二極管的零電流關(guān)斷,使LLC電路全負(fù)載范圍內(nèi)的效率提升了4.1%。
雖然通過改變母線電壓的控制方式對LLC工作效率有一定的提高,但是,由于涉及前后兩級電路的相互觸發(fā),從開關(guān)頻率曲線可以看出,輕重載切換時母線電壓相應(yīng)速度還是需要0.5 s的響應(yīng)時間,對前后電路的聯(lián)動性產(chǎn)生了影響,今后將針對兩級電路聯(lián)動控制進(jìn)一步研究。