LLC全橋變換器電動汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)

張 濤

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LLC全橋變換器電動汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)

張 濤

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112）

直流-直流變換器技術(shù)是電動汽車充電站的關(guān)鍵技術(shù)之一，得到廣泛的研究。本文介紹了一種基于LLC諧振變換的全橋直流變換器，分析全橋諧振電路充電機(jī)工作的諧振頻率，研究能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS和ZCS的條件，介紹諧振電感和諧振電容的選擇、主變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)以及主要器件的參數(shù)影響。根據(jù)國標(biāo)設(shè)計(jì)直流-直流充電機(jī)模塊，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分析實(shí)驗(yàn)效果。

LLC諧振；全橋變換器；電動汽車充電機(jī)

2017年我國的電動汽車銷量達(dá)到77.7萬輛，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到快速的發(fā)展，但也面臨一些問題，例如充電樁的建設(shè)距離1∶1的配置比例還有較大距離等情況。直流快速充電樁能快速充電，是當(dāng)前建設(shè)的重點(diǎn)，得到廣泛的研究。研究熱點(diǎn)包括模塊化充電機(jī)技術(shù)、LLC諧振變化控制技術(shù)、三相APFC技術(shù)等方面[1]。在直流-直流變換器領(lǐng)域，多采用全橋隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大量應(yīng)用移相全橋的軟開關(guān)技 術(shù)[6]，當(dāng)前LLC諧振技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，可以大大提高直流-直流變換器的效率[8]。

全橋諧振直流-直流變換電路具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率大的特點(diǎn)。本文研究基于LLC諧振全橋直流-直流變換電路具體的參數(shù)設(shè)計(jì)過程，分析電路參數(shù)的影響，應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)。

1 充電機(jī)直流-直流變換器的特點(diǎn)

直流充電樁的直流母線電壓一般為800V，如果直接采用橋式變換電路，很難選取合適的開關(guān)管，為了設(shè)計(jì)方便和效率優(yōu)化，系統(tǒng)中選取中點(diǎn)電壓的參考電壓，做了兩個400V直流-直流的變換電路。DC-DC部分采用DSP控制，拓?fù)浼軜?gòu)采用兩個LLC全橋諧振變換電路原邊串聯(lián)，輸出并聯(lián)的方案，對于大電流的輸出也可以利用同步整流技術(shù)整流。

全橋諧振變換器對比半橋諧振變換器，多了一個橋臂，諧振電容、諧振電感和勵磁電感構(gòu)成諧振回路，勵磁電感為隔離變壓器的內(nèi)部電感，半橋諧振電路如圖1所示。

傳統(tǒng)LLC全橋諧振變換電路控制多采用模擬控制芯片實(shí)現(xiàn)，如UCC6599等，根據(jù)輸出電壓或電流誤差大小控制移相角，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。數(shù)字控制的基本思路同傳統(tǒng)模擬控制相同，差別是數(shù)字控制處理的是數(shù)字信號，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，不像模擬控制需要大量的外圍線路。LLC全橋諧振變換電路變換器采用改進(jìn)型主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用輔助電感實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZVS，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 LLC諧振變換器的原理圖

圖2 LLC諧振全橋變換器的原理圖

其中，Q1、Q2、Q3、Q4為主開關(guān)，采用兩個變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的輸出結(jié)構(gòu)，對于低壓輸出的充電機(jī)，還可以采用同步整流技術(shù)，進(jìn)一步降低通態(tài)損耗。r、r分別為諧振電感和諧振電容。全橋LLC電路的工作過程和半橋LLC電路具有相似性，可以利用半橋諧振的工作過程進(jìn)行分析，本文以Q1和Q2的電壓電流，作為分析可以得到各個工作階段的具體波形如圖3所示。

在=1，整流二極管D2電流降到零，副邊電流開始換向，二極管D1開始導(dǎo)通，保持在續(xù)流狀態(tài)，勵磁電流在電壓作用下開始增加，變壓器原邊電壓保持在O。同時，原邊諧振電流還沒有由負(fù)變正，原邊電流通過開關(guān)管Q1的寄生二極管進(jìn)行續(xù)流。在=2時間，諧振電流也會降到零，開關(guān)管電流降到零。開關(guān)管Q1的驅(qū)動信號一般在續(xù)流電流過零前施加，開關(guān)管MOSFET實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。同理，在=4時，開關(guān)管Q2的驅(qū)動信號之前，開關(guān)管ds已經(jīng)下降為零，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。通過軟開關(guān)，實(shí)現(xiàn)全橋DC-DC變換電路的高效率。

圖3 諧振變換器不同階段的工作波形

2 全橋諧振直流-直流變換器參數(shù)設(shè)計(jì)

電動汽車充電機(jī)的充電過程具有充電平臺，充電過程大部分時間為恒流充電，電池容量較小時，電壓較低；電池容量接近充滿時，電池電壓快速上升，這時應(yīng)該切換恒壓充電模式。電池的整個充電過程，電壓具有比較大的跨度，這要求直流-直流變換器具有較好的調(diào)壓功能。本文采用全橋式LLC變換電路，通過變壓器調(diào)整電壓的變比，以實(shí)現(xiàn)高壓輸出；LLC電路要設(shè)計(jì)的參數(shù)比較多，與變換器的工作狀態(tài)有很大關(guān)系。本文在設(shè)計(jì)中主要考慮的是直流母線電壓和充電輸出電壓的范圍、充電輸出最大功率和充電曲線響應(yīng)性能、開關(guān)頻率范圍等指標(biāo)。

2.1 主變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

全橋諧振變換器的變壓器匝比的設(shè)計(jì)需要考慮母線電壓和充電平臺電壓的關(guān)系，結(jié)合LLC變換器的開關(guān)頻率以及對應(yīng)的增益范圍進(jìn)行分析，充電機(jī)的直流母線電壓本文設(shè)定為800V的直流母線，兩個全橋串聯(lián)工作，單個為400V DC，在LLC全橋變換器中，變換器增益主要由開關(guān)頻率決定，不同的值對應(yīng)的增益曲線如圖4所示。

根據(jù)全橋諧振電路的增益曲線特性，不同的值條件下，開關(guān)管開關(guān)工作頻率等于諧振頻率時，原邊電流都能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，在LLC變換器充電系統(tǒng)中，把電池充電較長的電壓設(shè)定為諧振頻率，直流直流變換器的開關(guān)損耗最小，變換器的工作效率最高。

圖4 全橋LLC變換器的增益曲線

根據(jù)變壓器的匝比分析，變換器的增益設(shè)定為1∶1的關(guān)系，可以得到

解得：

2.2 全橋諧振參數(shù)設(shè)計(jì)

全橋諧振變換器設(shè)計(jì)中，優(yōu)先設(shè)計(jì)勵磁電感與諧振電感的比值。勵磁電感與諧振電感的比值通常標(biāo)識為值。在諧振變換器的工作頻率低于諧振頻率r時輸出電壓升高，在高輸入電壓的情況下，可以降低開關(guān)頻率，滿足開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，這樣變換器可以在輸入電壓波動的情況下優(yōu)化變換器的輸出效率。同時在輕載情況下，也可以減小輕載時的開關(guān)頻率，方便變換器在空載時的調(diào)壓。變換器原邊電感存儲的剩余能量，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管在輕載時的軟開關(guān)。

根據(jù)變換器的最高電壓確定最低增益，可以得到

滿足變換器能在最高工作頻率時獲得穩(wěn)定的輸出增益，可以得到

式中，max為最低增益；max為變換器最高開關(guān)頻率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文參數(shù)分析，設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，根據(jù)電動汽車國家標(biāo)準(zhǔn)，輸出額定電壓選擇440V DC規(guī)格，輸出電壓范圍設(shè)定為200～450V DC；輸入電壓為直流母線的輸出，電壓穩(wěn)定在760V DC左右，DC-DC采用兩個全橋變換器串聯(lián)的辦法，直流充電機(jī)一般采用模塊化設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的模塊輸出額定功率為3500W，開關(guān)頻率設(shè)定為100～500kHz，輸入電壓較高時，采用調(diào)節(jié)PWM輸出的辦法降低輸出電壓。本樣機(jī)的充電平臺電壓設(shè)定為360V，可以滿足小轎車的充電要求。本樣機(jī)的工作電流較小，未采用同步整流方案。

根據(jù)分析，變壓器原副邊的匝比計(jì)算：

變壓器實(shí)際匝比確定為

根據(jù)輸出電壓增益、空載穩(wěn)定條件以及ZVS條件，選取

全橋LLC諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)是零電壓開通和零電流關(guān)斷，有效降低開關(guān)損耗，工作過程中的開關(guān)管的驅(qū)動和應(yīng)力波形如圖5所示，在開關(guān)管開通前，開關(guān)管兩端電壓已經(jīng)下降為零；開關(guān)管關(guān)斷時，輸出整流管電流和諧振電流也已經(jīng)下降接近于零。

圖5 全橋開關(guān)工作驅(qū)動、電壓和電流波

不同的開關(guān)器件和整流二極管對效率具有影響，主要是器件的通態(tài)電阻和結(jié)電容的影響，采用SPW47N60C3的通態(tài)電阻為0.07W結(jié)電容為2.2nF，IPW60R045CP的通態(tài)電阻為0.045W，結(jié)電容為0.32nF，根據(jù)對比可見降低通態(tài)電阻和結(jié)電容，可以有效提升全橋諧振變換器效率。不同開關(guān)器件的輸出效率如圖6所示。

圖6 不同開關(guān)器件的輸出效率

4 結(jié)論

本文根據(jù)直流快速充電機(jī)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)全橋諧振直流直流變換電路。采用LLC諧振的基本拓?fù)?，分析全橋諧振變換器的工作特點(diǎn)，介紹實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS的工作過程，研究了全橋諧振變換器的變壓器參數(shù)和諧振電感等參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)，對比不同方案的效率，驗(yàn)證了基于諧振變換的全橋諧振直流-直流變換器的優(yōu)點(diǎn)。

[1] 阮新波, 嚴(yán)仰光. 脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999.

[2] 李菊, 阮新波. 全橋LLC諧振變換器的混合式控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013, 28(4): 72-79, 94.

[3] 曹以龍, 黃錦, 趙轉(zhuǎn). 電動汽車充電機(jī)中PWM整流器的性能研究[J]. 電測與儀表, 2016, 53(2): 102-107.

[4] 李霽雰, 陳陽生, 章瑋. 基于CAN總線的電動汽車中繼站研究[J]. 機(jī)電工程, 2015, 32(3): 379-383.

[5] 梁昊, 張軍明. 一種簡化的LLC諧振變換器小信號分析方法[J]. 電力電子技術(shù), 2011, 45(10): 71-72, 95.

[6] 劉闖, 劉艷鵬, 劉海洋, 等. 高頻隔離型電動汽車快速直流充電器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(3): 40-49.

[7] 劉一希. 基于全數(shù)字控制LLC諧振變換器的電動汽車電池充電器研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2014.

[8] 陳章勇, 肖皓中, 陳利, 等. 不對稱控制全橋副邊雙諧振DC-DC變換器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2013, 33(27): 78-87, 12.

[9] 陳軼涵, 韋徵, 王赟程, 等. 交錯并聯(lián)移相全橋全負(fù)載狀態(tài)靜態(tài)特性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 49-56.

[10] 張濤, 朱小平. 基于LLC變換器的電動汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2016(6): 97-100.

The design of full bridge EV charger based on LLC

Zhang Tao

(Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112)

The DC-DC converter technology is one of the key technologies of the electric vehicle charging station, which has been widely studied. In this paper, a full bridge DC converter based on LLC resonant converter is introduced, the resonant frequency of the full bridge resonant circuit charger is analyzed, the conditions for realizing the ZVS and ZCS are studied, and the selection of the resonant inductor and the selection of the MOSFET capacitance is introduced. The parameter design of the main transformer and the influence of the parameters of the main components. The DC-DC charger module is designed according to the national standard. The test results are carried out and the experimental results are analyzed.

LLC resonant; full bridge converter; EV charger

2018-04-10

張 濤（1980-），男，碩士研究生，工程師，主要從事電力電子與電力傳動方面的研究工作。