CN114448270A - 一种两级式直流变换电路、5g基站电源ac-dc变换器及其效率优化方法 - Google Patents

一种两级式直流变换电路、5g基站电源ac-dc变换器及其效率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级式直流变换电路包括：无桥PFC电路、LLC谐振电路、控制电路。无桥PFC电路和LLC谐振电路顺序连接，从无桥PFC电路的输出端接入LLC谐振电路的输入端的电压为母线电压Vbus，从LLC谐振电路的输出端输出的电压为输出电压Vo。控制电路监测LLC谐振电路的负载情况，并根据负载情况调整LLC谐振电路的开关频率，从而稳定输出电压Vo，当检测到LLC谐振电路的负载突变时，通过母线电压Vbus和LLC谐振电路的开关频率协同调整，稳定输出电压Vo。相比现有技术，本发明能够保证LLC谐振电路开关频率在最佳工作频率点附近，在稳定输出电压的同时确保能够达到最佳的工作效率，并减少了LLC谐振电路开关损耗。

Description

一种两级式直流变换电路、5G基站电源AC-DC变换器及其效率 优化方法
技术领域
本发明涉及5G基站AC-DC电源技术领域，尤其涉及一种两级式直流变换电路、5G基站电源AC-DC变换器及其效率优化方法。
背景技术
随着移动数据流量的爆炸性增长，不同的设备之间的相互连接，不断涌现出的各种新业务场景，都表明5G时代的到来。对比5G基站与4G基站由于网络架构不同，5G RAN(无线接入网)架构不再是由4G/LTE(长期演进)的BBU(基带处理单元)、RRU(射频拉远单元)两级结构组成，而是重构为三个重要的功能实体CU(集中单元)更像是一个服务器将BBU的非实时部分分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。DU(分布单元)是将BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。AAU(有源天线单元)是从4G到5G中最大改变的部分，BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。并且AAU采用Massive MIMO(大规模多输入多输出)技术，的AAU单扇区输出功率由4G的40W-80W上升到200W甚至更高，同时由于处理的数据量大幅度增加，BBU(基带处理单元)(或者在5G某些组网模式下被拆分为CU和DU)的功率也大幅增加，其功率已经超过1000W。对于目前较流行的5G基站组网方式：3扇区AAU+1个BBU，假设AAU效率为20％，那么5G基站供电的通信电源的输出功率大约为：Pout＝(3*200)/0.2+1000＝4000W而原由4G基站供电的通信电源输出功率为2000W～3000W。输出功率大幅提升。
5G基站AC-DC电源，是属于通信电源中的核心模块。将380V/220V的交流电变换为-48V直流电的通信电源模块。采用双级式AC-DC变换器的形式通常由两级以上变换器组合而成。前级由AC-DC变换器组成，后级由DC-DC变换器组成。传统的DC-DC输出环节常采用LLC谐振变换电路，当负载重的时候，闭环系统减少开关频率提高输出电压增益，当负载比较轻的时候需要系统增加开关频率，以减小增益以达到稳定电压目的，PWM(脉冲宽度调制)占空比始终保持为50％，但是需要不断地改变开关频率，增加了电路开关损耗，同时，无法保证在任何负载情况下都能工作在最大效率。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种效率优化的两级式直流变换电路。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种两级式直流变换电路，应用于5G基站AC-DC电源，包括：无桥PFC电路、LLC谐振电路、控制电路；
所述无桥PFC电路和LLC谐振电路顺序连接，从所述无桥PFC电路的输出端接入所述LLC谐振电路的输入端的电压为母线电压Vbus，从所述LLC谐振电路的输出端输出的电压为输出电压Vo；
所述控制电路监测所述LLC谐振电路的负载情况，并根据所述负载情况调整所述LLC谐振电路的开关频率，从而稳定所述输出电压Vo，当检测到所述LLC谐振电路的负载突变时，通过所述母线电压Vbus和所述LLC谐振电路的开关频率协同调整，稳定所述输出电压Vo。
在一些实施例中，所述控制电路包括开关频率调整模块，
当负载由轻载突变为重载时，对所述LLC谐振电路的开关频率进行限制，并切换成通过调整所述母线电压Vbus来稳定所述输出电压Vo；
当负载由重载切换为轻载时，通过调整所述母线电压Vbus后，再通过开关频率调整模块调整所述LLC谐振电路的开关频率。
在一些实施例中，当负载为轻载时，所述开关频率调整模块采样所述输出电压Vo，并根据所述输出电压Vo与参考电压Vo-ref的差值调整所述LLC谐振电路的开关频率。
在一些实施例中，所述控制电路还包括开关频率比较模块，当负载突变为重载时，所述输出电压Vo小于所述参考电压Vo-ref，所述开关频率比较模块从所述开关频率调整模块获取第一开关频率，比较所述第一开关频率与预设的第二开关频率的大小，并根据所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值调整所述母线电压Vbus。
在一些实施例中，所述第一开关频率为稳定所述输出电压Vo所需的所述LLC谐振电路的开关频率的调整量，所述第二开关频率为预设的开关频率调整量参考值。
在一些实施例中，所述控制电路还包括电压调制量计算模块，用于接收所述开关频率比较模块发送的所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值，并根据该差值计算电压调制量反馈至所述无桥PFC电路。
在一些实施例中，所述电压调制量计算模块采样当前输出电压Vo，将所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值与所述当前输出电压Vo共同作为调制量Vb用于计算所述电压调制量，并采样当前母线电压Vbus，将所述当前母线电压Vbus和所述调制量Vb按照预设算法进行数学运算后生成驱动信号发送至所述无桥PFC电路，改变所述无桥PFC电路的占空比，从而调整所述母线电压Vbus。
在一些实施例中，所述驱动信号通过PI控制器发送至所述无桥PFC电路。
根据本发明的另一方面，提供一种5G基站电源AC-DC变换器，其包括如前所述的两级式直流变换电路。
根据本发明的又一方面，提供一种5G基站电源AC-DC变换器效率优化方法，包括以下步骤：
监测LLC谐振电路的负载情况，并根据所述负载情况调整所述LLC谐振电路的开关频率，从而稳定所述输出电压Vo；
当检测到所述LLC谐振电路的负载突变时，通过协同调整无桥PFC电路与所述LLC谐振电路之间的母线电压Vbus和所述LLC谐振电路的开关频率，来稳定所述输出电压Vo。
本发明的有益效果：
本发明可以保证开关频率在最佳工作频率点附近，在稳定输出电压的同时确保能够达到最佳的工作效率。通过此结构能实现后级LLC谐振电路工作在谐振频率，实现在任何负载下均能够以最佳效率点高效运行，并减少了开关损耗。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种两级式直流变换电路的结构框图。
图2为本发明一实施例的一种两级式直流变换电路的仿真结果一。
图3为本发明一实施例的一种两级式直流变换电路的仿真结果二。
图4为本发明一实施例的一种两级式直流变换电路的仿真结果三。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”、“一面”、“另一面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合实施例详细阐述本发明的内容。
请参阅图1，根据本发明的一个方面提供一种两级式直流变换电路，应用于5G基站AC-DC电源，包括：无桥PFC电路1、LLC谐振电路2、控制电路3。所述无桥PFC电路1和LLC谐振电路2顺序连接，从所述无桥PFC电路2的输出端接入所述LLC谐振电路2的输入端的电压为母线电压Vbus，从所述LLC谐振电路2的输出端输出的电压为输出电压Vo。所述控制电路3监测所述LLC谐振电路2的负载情况，并根据所述负载情况调整所述LLC谐振电路2的开关频率，从而稳定所述输出电压Vo，当检测到所述LLC谐振电路2的负载突变时，通过所述母线电压Vbus和所述LLC谐振电路2的开关频率协同调整，稳定所述输出电压Vo。本发明采用无桥PFC电路对功率因数进行校正解决功率畸变与谐波问题提升电网质量，且损耗较小。后级LLC电路运用了电容(电流超前电压)和电感(电流滞后电压)组合在一起(谐振腔)，让其相位具有补偿性，适当调整信号的频率与电感电容的参数，可以解决开关管上的开通损耗和发热问题(软开关技术)，实现了电路能工作在较高频率的两级式功率拓扑。
在一些实施例中，所述控制电路3包括开关频率调整模块31。当负载由轻载突变为重载时，对所述LLC谐振电路2的开关频率进行限制，并切换成通过调整所述母线电压Vbus来稳定所述输出电压Vo；当负载由重载切换为轻载时，通过调整所述母线电压Vbus后，再通过开关频率调整模块31调整所述LLC谐振电路2的开关频率。
在一些实施例中，当负载为轻载时，所述开关频率调整模块31采样所述输出电压Vo，并根据所述输出电压Vo与参考电压Vo-ref的差值调整所述LLC谐振电路2的开关频率。
在一些实施例中，所述控制电路3还包括开关频率比较模块32，当负载突变为重载时，所述输出电压Vo小于所述参考电压Vo-ref，所述开关频率比较模块32从所述开关频率调整模块31获取第一开关频率，比较所述第一开关频率与预设的第二开关频率的大小，并根据所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值调整所述母线电压Vbus。
在一些实施例中，所述第一开关频率为稳定所述输出电压Vo所需的所述LLC谐振电路的开关频率的调整量，所述第二开关频率为预设的开关频率调整量参考值。优选的，第二开关频率可使LLC谐振电路2工作在最佳工作频率点，并可使LLC谐振电路2工作在谐振频率。
在一些实施例中，所述控制电路3还包括电压调制量计算模块33，用于接收所述开关频率比较模块32发送的所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值，并根据该差值计算电压调制量反馈至所述无桥PFC电路1。
在一些实施例中，所述电压调制量计算模块33采样当前输出电压Vo，将所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值与所述当前输出电压Vo共同作为调制量Vb用于计算所述电压调制量，并采样当前母线电压Vbus，将所述当前母线电压Vbus和所述调制量Vb按照预设算法进行数学运算后生成驱动信号发送至所述无桥PFC电路1，改变所述无桥PFC电路的占空比，从而调整所述母线电压Vbus。具体的，该数学运算可以是将当前母线电压Vbus和所述调制量Vb相加后的值作为控制量送入前级无桥PFC电路1的控制环节，改变无桥PFC电路1的占空比，从而实现调节LLC谐振电路2母线电压Vbus的目的。
在一些实施例中，所述驱动信号进一步通过PI控制器发送至所述无桥PFC电路1。
根据本发明的另一方面，提供一种5G基站电源AC-DC变换器，其包括如前所述的两级式直流变换电路。
根据本发明的又一方面，提供一种5G基站电源AC-DC变换器效率优化方法，其包括以下步骤：
监测LLC谐振电路的负载情况，并根据所述负载情况调整所述LLC谐振电路的开关频率，从而稳定所述输出电压Vo；
当检测到所述LLC谐振电路的负载突变为重载时，通过协同调整无桥PFC电路与所述LLC谐振电路之间的母线电压Vbus和所述LLC谐振电路的开关频率，来稳定所述输出电压Vo。
本发明可以通过对DC-DC开关频率进行采样，让工作过程中系统不断调整前级无桥PFC电路的输出Vbus电压大小，保证开关频率在最佳工作频率点附近，在稳定输出电压的同时确保能够达到最佳的工作效率。通过此结构能实现后级LLC谐振电路工作在谐振频率，实现在任何负载下均能够以最佳效率点高效运行，并减少了开关损耗。
为了验证优化效果的有效性，运用Matlab/Simulink模块对控制策略以及电路进行仿真。如图2-4所示，图2示出了在仿真实验条件下，LLC谐振电路的开关频率随时间的变化图，图3示出了Vbus电压随时间的变化图，图4示出了输出电压Vo随时间的变化图。在保持轻载的情况下，母线电压保持均值在目标输出电压，此时通过调整LLC电路的开关频率来进行稳定输出电压。当负载从轻载切换至重载时，在预设频率点处对频率进行限制(即，固定开关频率)，并切换成调整母线电压进行，使母线电压慢慢上升至目标输出电压。从重载切换至轻载时，刚切换时通过调整母线电压来稳定输出电压，当母线电压调整至目标值后，将固定开关频率迅速切换为调整开关频率稳定输出电压。
通过以上仿真验证了，通过对LLC电路的开关频率的监测可以有效确定当前负载情况，且当负载发生变化时能通过调整母线电压的方法去稳定输出电压，此方法能有效的降低因负载变化所发生增加开关频率的变化，降低DC-DC的损耗和以及开关管的发热，提高整体效率。
上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种两级式直流变换电路，应用于5G基站AC-DC电源，其特征在于，包括：无桥PFC电路、LLC谐振电路、控制电路；
所述无桥PFC电路和LLC谐振电路顺序连接，从所述无桥PFC电路的输出端接入所述LLC谐振电路的输入端的电压为母线电压Vbus，从所述LLC谐振电路的输出端输出的电压为输出电压Vo；
所述控制电路监测所述LLC谐振电路的负载情况，并根据所述负载情况调整所述LLC谐振电路的开关频率，从而稳定所述输出电压Vo，当检测到所述LLC谐振电路的负载突变时，通过所述母线电压Vbus和所述LLC谐振电路的开关频率协同调整，稳定所述输出电压Vo。
2.根据权利要求1所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，所述控制电路包括开关频率调整模块，
当负载由轻载突变为重载时，对所述LLC谐振电路的开关频率进行限制，并切换成通过调整所述母线电压Vbus来稳定所述输出电压Vo；
当负载由重载切换为轻载时，通过调整所述母线电压Vbus后，再通过所述开关频率调整模块调整所述LLC谐振电路的开关频率。
3.根据权利要求2所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，当负载为轻载时，所述开关频率调整模块采样所述输出电压Vo，并根据所述输出电压Vo与参考电压Vo-ref的差值调整所述LLC谐振电路的开关频率。
4.根据权利要求3所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，所述控制电路还包括开关频率比较模块，当负载突变为重载时，所述输出电压Vo小于所述参考电压Vo-ref，所述开关频率比较模块从所述开关频率调整模块获取第一开关频率，比较所述第一开关频率与预设的第二开关频率的大小，并根据所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值调整所述母线电压Vbus。
5.根据权利要求4所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，所述第一开关频率为稳定所述输出电压Vo所需的所述LLC谐振电路的开关频率的调整量，所述第二开关频率为预设的开关频率调整量参考值。
6.根据权利要求5所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，所述控制电路还包括电压调制量计算模块，用于接收所述开关频率比较模块发送的所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值，并根据该差值计算电压调制量反馈至所述无桥PFC电路。
7.根据权利要求6所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，所述电压调制量计算模块采样当前输出电压Vo，将所述第一开关频率与所述第二开关频率的差值与所述当前输出电压Vo共同作为调制量Vb用于计算所述电压调制量，并采样当前母线电压Vbus，将所述当前母线电压Vbus和所述调制量Vb按照预设算法进行数学运算后生成驱动信号发送至所述无桥PFC电路，改变所述无桥PFC电路的占空比，从而调整所述母线电压Vbus。
8.根据权利要求7所述的一种两级式直流变换电路，其特征在于，所述驱动信号通过PI控制器发送至所述无桥PFC电路。
9.一种5G基站电源AC-DC变换器，其特征在于包括如权利要求1-8任意一项所述的两级式直流变换电路。
10.一种5G基站电源AC-DC变换器效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
监测LLC谐振电路的负载情况，并根据所述负载情况调整所述LLC谐振电路的开关频率，从而稳定所述输出电压Vo；
当检测到所述LLC谐振电路的负载突变时，通过协同调整无桥PFC电路与所述LLC谐振电路之间的母线电压Vbus和所述LLC谐振电路的开关频率，来稳定所述输出电压Vo。
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