摘要：为满足5G 基站对供电系统高效率、高可靠性及宽范围输出电压的迫切需求，设计一种基于LLC 谐振变换器的高效供电系统。该系统采用“前级功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）整流+ 后级LLC 谐振变换+ 输出滤波稳压”三级架构，通过集成软开关技术、过流保护与热管理策略、变频控制电压增益调节方法，实现高效运行、高可靠性保障和宽范围输出电压调节。验证结果表明，该系统在转换效率、保护响应速度和电压调节范围方面均达到了预期目标。
关键词：LLC 谐振变换器；5G 基站供电；软开关技术
0 引 言
5G 基站的供电系统面临较大的技术挑战。首先，高效率成为供电系统的首要需求。5G 基站功耗相比4G 基站显著增加，供电转换过程中的能量损耗将直接转化为热能，不仅造成能源浪费，还会恶化基站内部热环境，因此必须在全负载范围内实现高效能量转换。其次，5G 网络对连续服务的严格标准对高可靠性提出要求，供电中断将直接影响网络覆盖和用户体验。这就要求供电系统具备故障自愈能力和冗余保护机制，确保关键负载的不间断运行。最后，宽范围输出电压调节能力是适应5G 基站多样化负载特性的关键。射频功放、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）和基带处理单元对电压等级有差异化需求，供电系统必须实现动态电压调节以匹配各模块的工作特性。
传统基站供电系统多采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）开关电源，存在硬开关损耗大、效率偏低的问题，难以满足5G 基站对高效率、高可靠性、宽范围输出电压的迫切需求[1]。LLC 谐振变换器具备零电压开关和宽电压增益特性，为解决上述技术难题提供了有效途径。本研究设计基于LLC 谐振变换器的5G基站高效供电系统，以期实现高效率运行、高可靠性保障和宽范围输出电压调节的设计目标。
1 系统总体设计方案
为满足高效率运行、高可靠性保障和宽范围输出电压调节3 项核心需求，设计基于LLC 谐振变换器的5G 基站高效供电系统。该系统采用“前级功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）整流+ 后级LLC 谐振变换+ 输出滤波稳压”的三级架构。
第1 级为前级PFC 整流模块，由整流桥、升压电感（470 μH）、功率开关管和储能电容（330 μF/450 V）组成。整流桥将市电220 V 交流电转换为脉动直流电，升压电感配合功率开关管实现PFC，储能电容平滑输出直流电压至400 V 母线，为后级提供稳定输入。
第2 级为LLC 谐振变换模块，由谐振电感（15 μH）、谐振电容（22 nF）、励磁电感（90 μH）、包含4 只金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET） 的全桥开关网络和高频变压器（变比n=8 ∶ 1）组成。谐振网络参数依据谐振频率（fr=100 kHz）设计，全桥开关网络驱动变压器实现隔离降压，为高效率保障策略和宽电压增益控制策略提供硬件基础。
第3 级为输出滤波稳压模块，由同步整流管（2 只）、输出滤波电感（10 μH）和输出电容组（共2200 μF）组成，将高频交流电转换为48 V 稳定直流输出。
系统架构如图1 所示。能量传递流程为市电经前级PFC 整流后形成400 V 直流母线，馈入LLC 谐振变换模块实现高频隔离变换，最终经输出滤波稳压模块输出48 V 直流电。
2 核心策略集成与实现
基于前述三级架构设计，详细阐述如何通过3项关键策略的集成实现系统的核心技术目标。具体包括：基于软开关技术的高效率保障策略、基于过流保护与热管理的双重可靠性保障策略、基于变频控制的宽范围电压增益调节策略。这3 项策略相互协调，共同确保LLC 谐振变换器供电系统在复杂工况下的稳定高效运行。
2.1 高效率保障策略
为满足前文所述高效率运行需求，设计基于软开关技术的效率优化策略。该策略的核心在于利用LLC 谐振变换模块固有的谐振特性，通过精确控制开关频率fs 与谐振频率fr 的关系实现零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）。当系统运行时，控制器实时监测负载电流并动态调整开关频率，确保fs 在0.95fr ～ 1.05fr 变化[2]。在此频率区间，谐振电感Lr与谐振电容Cr 形成的阻抗特性关系式为
式中：Zr 为谐振阻抗。当fs 接近fr 时，谐振阻抗Zr趋近于零，全桥开关网络中MOSFET 的体二极管在开关动作前自然导通，为ZVS 创造条件。同时，励磁电感提供的磁化电流确保在轻载条件下仍维持软开关状态，死区时间设定为200 ns，以充分实现电荷释放。
2.2 高可靠性保障策略
为满足高可靠性保障需求，系统集成设计基于过流保护与热管理的双重保障策略。该策略通过监测LLC 谐振变换模块中全桥开关网络的电流应力实现故障预判。当检测到流经MOSFET 的峰值电流超过额定值的1.2倍时，控制器立即调整开关频率偏离谐振点，利用谐振网络的限流特性实现保护[3]。
谐振电流Ipeak 与负载的关系表达式为
式中：Q 为品质因数；Io 为输出电流；n 为变压器变比。当谐振电流接近阈值12 A 时，控制器将fs 调整至1.3fr，使谐振阻抗增大从而限制电流。同时，高频变压器绕组内置负温度系数热敏电阻监测温度，当温升超过85 ℃时触发降频运行，确保储能电容和输出电容组在安全工作区间内持续运行。
2.3 基于变频控制的电压增益调节策略
为满足宽范围输出电压调节需求，提出基于变频控制的电压增益调节策略。该策略利用LLC 谐振变换模块的频率- 增益特性，通过调整全桥开关网络的开关频率实现输出电压的动态调节。根据谐振网络的电压传递函数，系统增益与频率的关系为
式中：M 为电压增益；k 为励磁电感值与谐振电感值之比。
通过调节fs 在70 ～ 150 kHz 变化，可实现增益M 在0.5 ～ 1.2 的连续调节。当需要输出48 V 标称电压时，控制器将fs 设定在100 kHz 谐振点附近；当负载需求降至36 V 时，将fs 增加至130 kHz 以降低增益[4-5]；当需要提高至54 V 时，将fs 降至85 kHz 使增益增大。控制过程中，同步整流管的驱动信号需与开关频率同步调整，确保输出滤波电感和输出电容组在全频率范围内维持稳定滤波特性。
2.4 保障系统高效运行的运维建议
为在长期运行中持续发挥LLC 谐振变换器供电系统高效率、高可靠性和宽电压调节的综合优势，运维阶段应从3 个方面进行系统性保障。
首先，在运行监测层面，应建立以控制器日志为核心的状态巡检机制，重点跟踪开关频率、同步整流驱动状态以及零电压开关判据是否持续满足控制逻辑要求，一旦发现频率长期偏离谐振点或软开关失效迹象，应及时校准控制参数，避免效率劣化。
其次，在热管理与器件健康管理方面，应定期检查MOSFET、谐振电容及高频变压器的温升趋势，通过对比历史温度曲线判断器件老化程度，并结合控制器内置的降频策略验证其触发逻辑是否可靠，从而降低潜在失效风险。
最后，在负载与电压管理方面，应结合基站业务负载变化规律，对输出电压调节策略进行周期性核查，确保变频控制与同步整流时序始终匹配实际负载需求，避免配置漂移导致电压波动，从运维层面保障系统整体性能的长期稳定。
3 效果测试分析
为验证本研究设计的基于LLC 谐振变换器的5G基站高效供电系统在高效率运行、高可靠性保障和宽范围输出电压调节方面的有效性，搭建模拟5G 基站工况的实验测试平台。实验在输入电压为220 V±22 V、环境温度为25 ℃的控制条件下进行，以排除供电波动和温度变化对测试结果的干扰。
针对高效率运行需求，设定转换效率为评价指标，采用功率分析仪分别测量满载（100% 负载/2.5 kW）和轻载（20% 负载/500 W）两种典型工况下的输入输出功率。针对高可靠性保障需求，设定过流保护响应时间为评价指标，通过人为制造120% 过载条件触发保护机制，使用示波器捕获从过流发生到保护动作的时间间隔，预设目标值为小于等于50 μs。针对宽范围输出电压调节需求，设定输出电压调节范围为评价指标，在额定负载条件下将开关频率从70 kHz 逐步调节至150 kHz，记录对应的输出电压变化，预设目标值为36 ～ 54 V。
选择传统PWM 硬开关Buck 变换器（开关频率为100 kHz，无谐振网络）作为参照系统，在相同测试条件下完成上述指标测试。
基于实验方案完成系统性能测试，获取LLC 谐振变换器供电系统与传统PWM 供电系统的对比数据。表1 展示了两种系统在3 项核心需求对应指标上的测试结果。
由表1 可知，针对高效率运行需求，LLC 谐振变换器系统的满载转换效率达到95.8%，轻载转换效率为93.6%，均较传统PWM 系统有明显提高，轻载工况下效率差距更为明显。针对高可靠性保障需求，LLC 系统的过流保护响应时间为42 μs，满足小于等于50 μs 的预设目标，且与传统系统的156 μs 相比有明显下降。这是因为谐振网络固有的限流特性能够快速抑制故障电流。针对宽范围输出电压调节需求，LLC 谐振变换器系统通过变频控制实现35.2 ～ 54.8 V的输出电压调节范围，完全覆盖36 ～ 54 V 的预设目标范围，而传统Buck 变换器受占空比限制仅能实现44.5 ～ 51.6 V 的调节范围。实验数据充分说明本研究设计的供电系统能够满足5G 基站核心供电需求。
4 结 论
文章围绕5G 基站供电系统的核心需求，进行基于LLC 谐振变换器的高效供电系统设计与验证。通过将软开关技术、双重保护策略与变频控制方法进行系统性集成，成功实现了全负载范围内的高效能量转换、快速的故障保护响应以及宽范围的动态电压调节，符合5G 基站的供电要求。
