快速充電用AC/DC電源設(shè)計(jì)

侍佳奇 許路

摘要：提出了一種新型快速充電策略，并設(shè)計(jì)和制作了可滿足12V/40Ah鋰電池組快速充電需求的高功率密度AC/DC電源，介紹了AC/DC電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、關(guān)鍵元件選型及參數(shù)計(jì)算?？焖俪潆娖鬏擜PF大于0.98，額定工作點(diǎn)效率大于90%。可實(shí)現(xiàn)12.8V/40Ah鋰電池組3小時(shí)內(nèi)100%SoC快速充電[1]。

關(guān)鍵詞：快速充電；鋰電池組：PFC；LLC；SiC

DOI：10.3969/j.issn.1005-5 517.2018.7.014

0 引言

鋰蓄電池組自身具備大電流充放電能力，常規(guī)快速充電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車等機(jī)動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)急電能補(bǔ)充，但在鋰電池充電后期單節(jié)電池充電不平衡、快速充電器體積過(guò)大不宜便攜。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的快速充電器樣機(jī)體積小于8安培常規(guī)充電器，采用大電流充電+單節(jié)電池并聯(lián)浮充模式，鋰電池組可在2小時(shí)完成快速均衡充電。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展、高頻開關(guān)器件的誕生，開關(guān)電源向著高頻化、集成化和模塊化的方向發(fā)展。提高開關(guān)頻率能夠減小裝置體積，提高設(shè)備的功率密度減小電源體積。諧振變換器由于其能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，有效地減小了開關(guān)損耗，使得頻率能進(jìn)一步提高，所以在高頻功率變換領(lǐng)域得到廣泛的重視和研究…。為此本文設(shè)計(jì)了一款PFC+LLC帶有同步整流的快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整機(jī)功率密度和效率優(yōu)于市售同類產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1總體方案

快速充電器樣機(jī)采用PFC+LLC+SR拓?fù)?，電路如圖1所示。PFC電路工作在CCM模式，開關(guān)頻率65 kHz。電路選用羅姆公司SCS206AG碳化硅二極管，其反向恢復(fù)電流小于50微安，CCM模式可以有效減小共模濾波器的體積及MOSFET電流應(yīng)力。PFC電路輸出電壓390 V。LLC諧振變換器控制芯片采用安森美公司NCP1399，其為電流模式的諧振控制器，較傳統(tǒng)的電壓模式控制器有著更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及快速穩(wěn)定諧振腔的啟動(dòng)順序和低的輕載損耗[3]。基于IR1168的同步整流電路有效提高整機(jī)效率。

1.2 AC/DC電源樣機(jī)基本參數(shù)：

輸入電壓：AC 85～265V

輸入頻率：47～63 Hz

輸出電壓：DC14.6V

輸出電流：額定值15 A（限流值20 A）

PF值：0.98+

效率：0.90（額定負(fù)載）

紋波電壓：30 mV （RMS），50mV （Vpp）

1.3參數(shù)計(jì)算及元件選型

1.3.1 PFC參數(shù)計(jì)算及元器件選擇

交流平均最大輸出電流：

鐵芯材料可選取具有分布?xì)庀兜蔫F粉芯，鐵硅鋁或者磁粉芯（MPP），鐵粉芯價(jià)格最低但是損耗太大不適合用作PFC電感；磁粉芯（MPP）損耗小但是價(jià)格較高，在一般應(yīng)用中不太適合。鐵硅鋁價(jià)格適中，損耗比磁粉芯大，但比鐵粉芯小很多一般應(yīng)用可以接受。本次設(shè)計(jì)中選用美磁公司的環(huán)形鐵芯（0077930A7）。

MOS管選擇ROHM公司的R6007KNJ，其結(jié)電容較小可以減小MOS的開關(guān)損耗。小電流的MOS管通態(tài)電阻較大（0.7Q）可以選擇兩個(gè)并聯(lián)減小通態(tài)損耗。二極管選擇ROHM公司的碳化硅二極管SCS206AG，由于碳化硅二極管不存在反向恢復(fù)問(wèn)題。在連續(xù)模式的PFC中，二極管關(guān)斷之前存在較大流通電流，如果使用傳統(tǒng)快恢復(fù)二極管或者超快恢復(fù)二極管由于其反向恢復(fù)特性會(huì)導(dǎo)致瞬間較大的直通電流，造成二極管損耗變大并且電磁干擾大?？刂菩酒x用TI的UCC28019，這是一款寬范圍電壓輸入的頻率固定的PFC專用芯片，帶有過(guò)壓和欠壓保護(hù)，并且具有逐周期電流檢測(cè)的限流功能。

1.3.2 LLC參數(shù)計(jì)算

變壓器磁芯選擇TDK PC95鐵芯，考慮變壓器鐵芯高頻損耗，取鐵芯最大磁通密度幅500 Gs。其鐵芯損耗曲線見圖2，利茲線繞組設(shè)計(jì)保證200 kHz時(shí)導(dǎo)線交流電阻和直流電阻一致[4]。

導(dǎo)線直徑d=2r～0.3mm，導(dǎo)線截面積S=πr2=0.0688 m㎡

二次側(cè)電流最大為15 A，自然風(fēng)冷的情況下取4 A/TlrTl2，電流則需3.725 A。需要的股數(shù)為03062858=54。故利茲線可選取0.3*50股。

選擇羅姆公司功率場(chǎng)效應(yīng)管SCT3080AL，Qgs僅為14 nC，通態(tài)電阻小于80 mQ?？刂菩酒捎肗CP1399。

1.3.3同步整流及輔助電源設(shè)計(jì)

采用羅姆公司RD3L08CNG實(shí)現(xiàn)輸出同步整流，其通態(tài)電阻小于7 mQ（10 V驅(qū)動(dòng)電壓）通態(tài)損耗可較二極管輸出大大減小。同步整流驅(qū)動(dòng)芯片采用IR公司的IR1168S，其最大開關(guān)頻率為500 K，具有輸出電壓箝位功能，驅(qū)動(dòng)峰值電流達(dá)4A。

采用羅姆公司的BM2P039，該芯片內(nèi)部集成了MOS可高壓?jiǎn)?dòng)，并且?guī)в姓{(diào)頻功能可減小EMI干擾減小空載損耗。

1.3.4保護(hù)電路

系統(tǒng)具有過(guò)溫過(guò)流保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二次側(cè)采樣電阻電壓，經(jīng)光耦反饋至一次側(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。目前專用IC可以直接檢測(cè)一次側(cè)電流實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

采用熱敏電阻等溫度傳感器檢測(cè)電源關(guān)鍵發(fā)熱點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。

2 樣機(jī)測(cè)試

滿載工況（14.6 V，15 A輸出）下，電源輸入電壓電流波形如圖3所示，實(shí)測(cè)PF值大于0.98。電源效率如表1所示。

12.8 V/40 AH磷酸鐵鋰蓄電池組充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，鋰電池組lOO%SoC浮充電壓及恒流放電電量對(duì)比如圖4所示。

對(duì)比常規(guī)充電方式，快速充電+并聯(lián)浮充的充電方案能夠在3小時(shí)內(nèi)完成lOO%SoC充電，磷酸鐵鋰蓄電池組推薦浮充電壓14.6 V，采用并聯(lián)浮充方式可以保證單節(jié)電池浮充電壓為3.65V，完成充電后蓄電池組開路電壓平均值13.999。15 A恒流平均放電時(shí)間9361.429 s，等效容量39 AH。8A常規(guī)充電，充電時(shí)間接近6小時(shí)，相同浮充電壓（14.6 V）下，蓄電池組平均開路電壓13.448 V，有效平均放電時(shí)間8897.143 s，等效容量37 Ah。

參考文獻(xiàn)：

[1]B Yang.Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed PowerSystem，2003

[2]UCC28019 Datasheet[DB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ucc28019.pdf

[3]NCP1399 Datasheet[DB/OL].https：//www.onsemi.cn/pub/Collateral/NC P1399-D.PDF

[4]趙修科《開關(guān)電源中磁性元器件》2004

[5]SCT3080AL Datasheet[DB/OL].http：//www.rohm.com.cn/web/china/datasheet/SCT3080AL/sct3080al-e