摘要
浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院的研究人員張濤，在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，直流-直流變換器技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)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工作的諧振頻率，研究能夠實(shí)現ZVS和ZCS的條件，介紹諧振電感和諧振電容的選擇、主變壓器的參數設計以及主要器件的參數影響。根據國標設計直流-直流充電機模塊，進(jìn)行試驗驗證，分析實(shí)驗效果。
2017年我國的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量達到77.7萬(wàn)輛，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到快速的發(fā)展，但也面臨一些問(wèn)題，例如充電樁的建設距離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，是當前建設的重點(diǎn)，得到廣泛的研究。
研究熱點(diǎn)包括模塊化充電機技術(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，多采用全橋隔離拓撲結構，大量應用移相全橋的軟開(kāi)關(guān)技 術(shù)[6]，當前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構簡(jiǎn)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設計過(guò)程，分析電路參數的影響，應用于實(shí)際產(chǎn)品的工程設計。
1 充電機直流-直流變換器的特點(diǎn)
直流充電樁的直流母線(xiàn)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(kāi)關(guān)管，為了設計方便和效率優(yōu)化，系統中選取中點(diǎn)電壓的參考電壓，做了兩個(gè)400V直流-直流的變換電路。DC-DC部分采用DSP控制，拓撲架構采用兩個(gè)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(gè)橋臂，諧振電容、諧振電感和勵磁電感構成諧振回路，勵磁電感為隔離變壓器的內部電感，半橋諧振電路如圖1所示。
傳統LLC全橋諧振變換電路控制多采用模擬控制芯片實(shí)現，如UCC6599等，根據輸出電壓或電流誤差大小控制移相角，實(shí)現穩定輸出。數字控制的基本思路同傳統模擬控制相同，差別是數字控制處理的是數字信號，并且可以方便的實(shí)現比較復雜的控制策略，不像模擬控制需要大量的外圍線(xiàn)路。
LLC全橋諧振變換電路變換器采用改進(jìn)型主拓撲結構，利用輔助電感實(shí)現滯后臂的ZVS，其拓撲結構如圖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(kāi)關(guān)，采用兩個(gè)變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的輸出結構，對于低壓輸出的充電機，還可以采用同步整流技術(shù)，進(jìn)一步降低通態(tài)損耗。Lr、Cr分別為諧振電感和諧振電容。全橋LLC電路的工作過(guò)程和半橋LLC電路具有相似性，可以利用半橋諧振的工作過(guò)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(gè)工作階段的具體波形如圖3所示。
在t=t1，整流二極管D2電流降到零，副邊電流開(kāi)始換向，二極管D1開(kāi)始導通，保持在續流狀態(tài)，勵磁電流在電壓作用下開(kāi)始增加，變壓器原邊電壓保持在nVO。同時(shí)，原邊諧振電流還沒(méi)有由負變正，原邊電流通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q1的寄生二極管進(jìn)行續流。在t=t2時(shí)間，諧振電流也會(huì )降到零，開(kāi)關(guān)管電流降到零。
開(kāi)關(guān)管Q1的驅動(dòng)信號一般在續流電流過(guò)零前施加，開(kāi)關(guān)管MOSFET實(shí)現零電流關(guān)斷。同理，在t=t4時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2的驅動(dòng)信號之前，開(kāi)關(guān)管Vds已經(jīng)下降為零，實(shí)現零電壓開(kāi)通。通過(guò)軟開(kāi)關(guān)，實(shí)現全橋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-直流變換器參數設計
電動(dòng)汽車(chē)充電機的充電過(guò)程具有充電平臺，充電過(guò)程大部分時(shí)間為恒流充電，電池容量較小時(shí)，電壓較低；電池容量接近充滿(mǎn)時(shí)，電池電壓快速上升，這時(shí)應該切換恒壓充電模式。電池的整個(gè)充電過(guò)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壓功能。
本文采用全橋式LLC變換電路，通過(guò)變壓器調整電壓的變比，以實(shí)現高壓輸出；LLC電路要設計的參數比較多，與變換器的工作狀態(tài)有很大關(guān)系。本文在設計中主要考慮的是直流母線(xiàn)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(xiàn)響應性能、開(kāi)關(guān)頻率范圍等指標。
2.1 主變壓器參數設計（略）
全橋諧振變換器的變壓器匝比的設計需要考慮母線(xiàn)電壓和充電平臺電壓的關(guān)系，結合LLC變換器的開(kāi)關(guān)頻率以及對應的增益范圍進(jìn)行分析，充電機的直流母線(xiàn)電壓本文設定為800V的直流母線(xiàn)，兩個(gè)全橋串聯(lián)工作，單個(gè)為400V DC，在LLC全橋變換器中，變換器增益主要由開(kāi)關(guān)頻率決定，不同的K值對應的增益曲線(xiàn)如圖4所示。
根據全橋諧振電路的增益曲線(xiàn)特性，不同的K值條件下，開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)工作頻率等于諧振頻率時(shí)，原邊電流都能實(shí)現開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷，在LLC變換器充電系統中，把電池充電較長(cháng)的電壓設定為諧振頻率，直流直流變換器的開(kāi)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(xiàn)
根據變壓器的匝比分析，變換器的增益設定為1∶1的關(guān)系，可以得到
2.2 全橋諧振參數設計（略）
全橋諧振變換器設計中，優(yōu)先設計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識為k值。在諧振變換器的工作頻率低于諧振頻率fr時(shí)輸出電壓升高，在高輸入電壓的情況下，可以降低開(kāi)關(guān)頻率，滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)管實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的條件，這樣變換器可以在輸入電壓波動(dòng)的情況下優(yōu)化變換器的輸出效率。同時(shí)在輕載情況下，也可以減小輕載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率，方便變換器在空載時(shí)的調壓。變換器原邊電感存儲的剩余能量，可以實(shí)現開(kāi)關(guān)管在輕載時(shí)的軟開(kāi)關(guān)。
3 實(shí)驗結果（略）
根據本文參數分析，設計一套實(shí)驗樣機，根據電動(dòng)汽車(chē)國家標準，輸出額定電壓選擇440V DC規格，輸出電壓范圍設定為200～450V DC；輸入電壓為直流母線(xiàn)的輸出，電壓穩定在760V DC左右，DC-DC采用兩個(gè)全橋變換器串聯(lián)的辦法，直流充電機一般采用模塊化設計，本實(shí)驗樣機的模塊輸出額定功率為3500W，開(kāi)關(guān)頻率設定為100～500kHz，輸入電壓較高時(shí)，采用調節PWM輸出的辦法降低輸出電壓。
本樣機的充電平臺電壓設定為360V，可以滿(mǎn)足小轎車(chē)的充電要求。本樣機的工作電流較小，未采用同步整流方案。
結論
本文根據直流快速充電機的技術(shù)要求，設計全橋諧振直流直流變換電路。采用LLC諧振的基本拓撲，分析全橋諧振變換器的工作特點(diǎn)，介紹實(shí)現ZVS和ZCS的工作過(guò)程，研究了全橋諧振變換器的變壓器參數和諧振電感等參數的設計方法。設計試驗樣機，對比不同方案的效率，驗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)。