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并聯(lián)LLC電路在車載充電機(jī)的應(yīng)用分析

導(dǎo)言

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，車載充電機(jī)的運(yùn)用與一般充電機(jī)不一樣，在電動(dòng)汽車一次充溢動(dòng)輒幾十度電的狀況下，充電機(jī)的高效更顯得尤為主要。進(jìn)步功率一起還能進(jìn)一步下降散熱組織的體積與重量。因而，開發(fā)高功率電動(dòng)汽車車載充電機(jī)關(guān)于電動(dòng)汽車的開展有著主要的含義。

1 電動(dòng)汽車車載充電機(jī)原理

車載充電機(jī)的功用是將外部交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電。現(xiàn)在在實(shí)踐車載充電機(jī)商品中，較受歡迎的拓?fù)錁?gòu)造有單級(jí)諧振構(gòu)造、交織并聯(lián)Boost PFC(功率因數(shù)校對(duì)，Power Factor Correction)+LLC構(gòu)造以及LLC+Buck—Boost構(gòu)造，各典型拓?fù)涞膶?duì)比如表1所示。依據(jù)表格三種計(jì)劃各有優(yōu)劣，單級(jí)諧振充電機(jī)電路較簡(jiǎn)略，可靠性較高，但本錢也較高；LLC是一種諧振變換器，交織并聯(lián)PFC+LLC的功率更高，元器材電流承載壓力低，合適大功率運(yùn)用；LLC+buck—boost可靠性較高，也是近幾年來研討較多的拓?fù)洹w納思考現(xiàn)在純電動(dòng)車的7kW 乃至大于10kW 的充電功率，交織并聯(lián)PFC+LLC的運(yùn)用老練度較高，仍是業(yè)界遍及運(yùn)用計(jì)劃。

1．1交織并聯(lián)PFC原理

功率因數(shù)校對(duì)充電機(jī)電路課分為無源功率因數(shù)校對(duì)與有源功率因數(shù)校對(duì)。

無源功率因數(shù)校對(duì)充電機(jī)電路由電阻、電容、電感等無源元件構(gòu)成，其構(gòu)造簡(jiǎn)略，但因?yàn)殡姼须娙莸捏w積與重量大，一般適用于小功率場(chǎng)合，且對(duì)充電機(jī)波形的校對(duì)作用較差，難以到達(dá)95％ 以上。

有源功率因數(shù)校對(duì)由儲(chǔ)能元件、開關(guān)器材及操控充電機(jī)電路構(gòu)成，其監(jiān)測(cè)輸入電壓電流，經(jīng)過操控開關(guān)元器材的通斷使得輸入電流堅(jiān)持為與輸入電壓同相位的正弦波。依據(jù)儲(chǔ)能電感的方位不一樣，其常用充電機(jī)電路可分為Buck型、Boost型、Flyback型、Buck—Boost型等。現(xiàn)在Boost型PFC技能已較為老練，且在大功率場(chǎng)合較為適用。

  Boost PFC充電機(jī)電路中，為了到達(dá)較低的輸出紋波，需要選取較大的電感與電容，致使充電機(jī)電路本錢與體積的添加，在整車的有限空間中添加了安置難度。交織并聯(lián)Boost PFC運(yùn)用兩相PFC 充電機(jī)電路交織運(yùn)轉(zhuǎn)，其開關(guān)元件導(dǎo)通相位相差180°，可大大減小充電機(jī)電路中的電感與電容。一起還分?jǐn)偭溯斎腚娏鳎谠鞑纳帷＿M(jìn)步了充電機(jī)電路可靠性，因而在大功率場(chǎng)合下，交織并聯(lián)PFC得到了廣泛運(yùn)用。其充電機(jī)電路原理如圖1所示。

1-2 LLC原理

傳統(tǒng)的橋式變換器中，功．率器材的電壓應(yīng)力等于輸人電壓，而不像推挽、正激那樣為輸入充電機(jī)的兩倍，橋式拓?fù)浜线m運(yùn)用在電壓渠道較高的環(huán)境中。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池遍及在200V至500V之間，一般都運(yùn)用橋式變換器。為了減小變換器體積，一般需要進(jìn)步開關(guān)頻率，但一起帶來了開關(guān)損耗的添加。為了下降頻率增加帶來的開關(guān)損耗的影響，軟開關(guān)技能被廣泛選用。諧振變換器正是在這種需要之下應(yīng)運(yùn)而生。

車載充電機(jī)變換器常用的諧振拓?fù)錇槿珮騆LC諧振變換器，其主充電機(jī)電路拓?fù)淙鐖D2所示。開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成充電機(jī)電路的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，兩兩開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，并留出必定的死區(qū)時(shí)刻；諧振電容Cr、諧振電感Lr以及變壓器的勵(lì)磁電感Lm構(gòu)成充電機(jī)電路的諧振網(wǎng)絡(luò)；變壓器副邊的整流二極管以及濾波電容Cf構(gòu)成了充電機(jī)電路的整流濾波網(wǎng)絡(luò)。

全橋LLC諧振變換器輸入電流接連，電流紋波小，可削弱EMI，進(jìn)步變換器的可靠性。一起全橋的LLC與整流橋中，開關(guān)器材電壓應(yīng)力低，合適作業(yè)在中、大功率運(yùn)用場(chǎng)合。其不只可以在全負(fù)載范圍內(nèi)完成原邊MOS管的ZVS (零電壓開關(guān)ZeroVoltage Switch)，還可完成整流二極管的ZCS(零電流開關(guān)ZerCurrent Switch)，顯著地減小了開關(guān)損耗，因而可以在確保高功率的基礎(chǔ)上進(jìn)步作業(yè)頻率，減小變換器的體積，增大功率密度。

依據(jù)全橋LLC諧振變換器的作業(yè)原理，當(dāng)變換器開關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，變換器可以完成原邊開關(guān)管的ZVS以及副邊整流二極管的ZCS，此刻變換器功率最高，所以全橋LLC諧振變換器有兩種操控形式：變頻操控和定頻操控。在全橋LLC諧振變換器參數(shù)規(guī)劃中，當(dāng)輸入電壓等于額外電壓時(shí)，使變換器開關(guān)頻率等于諧振頻率。為了進(jìn)步變換器功率，變頻操控即是當(dāng)輸入電壓小于額外電壓時(shí)，固定變換器開關(guān)管占空比，相鄰橋臂之間留有必定時(shí)刻的死區(qū)。經(jīng)過調(diào)理開關(guān)頻率調(diào)理輸出電壓。當(dāng)輸入電壓大于額外電壓時(shí)，將開關(guān)管開關(guān)頻率固定在諧振頻率鄰近，經(jīng)過調(diào)理開關(guān)管占空比調(diào)理輸出電壓，這即是定頻操控原理。

2 交織并聯(lián)LLC 充電機(jī)電路研討

在大功率的運(yùn)用中，為了進(jìn)步變換器的功率等級(jí)，進(jìn)步功率，可以將多個(gè)模塊在輸入端和輸出端別離串聯(lián)或許并聯(lián)，完成多模塊的組合作業(yè)。在電動(dòng)汽車充電中面臨的低壓大電流狀況，優(yōu)先選擇的組合方法為輸入、輸出并聯(lián)構(gòu)造。

2．1交織并聯(lián)LLC原理

LLC諧振變換器可以完成原邊開關(guān)管的零電壓注冊(cè)和副邊整流二極管的零電流關(guān)斷，取得很高的功率，可是因?yàn)樵撟儞Q器的副邊沒有濾波電感，致使輸出電流的紋波比較大，從而影響輸出濾波電容和低壓蓄電池的壽數(shù)，而且這個(gè)缺點(diǎn)在低壓大電流輸出的運(yùn)用場(chǎng)合中變得更為顯著。為了滿意輸出電壓和輸出電流的紋波目標(biāo)，進(jìn)步蓄電池的充電質(zhì)量，需要在副邊并聯(lián)很多電容進(jìn)行濾波，可是這會(huì)致使開關(guān)充電機(jī)的體積增大，下降了功率密度，并進(jìn)步變換器的本錢。減小車載DC—DC變換器的輸出電流紋波，不只有利于進(jìn)步充電機(jī)電路的功率密度，還能改進(jìn)充電質(zhì)量，進(jìn)步低壓蓄電池的運(yùn)用壽數(shù)。

針對(duì)電流紋波較大的疑問，LLC變換器可選用多個(gè)LLC模塊交織并聯(lián)的構(gòu)造。交織并聯(lián)是指并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的各個(gè)模塊之間開關(guān)管的操控信號(hào)頻率一樣，可是相位交織。關(guān)于n路交織并聯(lián)的模塊，各路操控信號(hào)之間的相位順次相差2π／n，雖然開關(guān)器材的開關(guān)頻率并沒有改動(dòng)，可是經(jīng)過相位之間的交織，可以完成輸入輸出電流脈動(dòng)的倍頻，減小電流紋波。

2．2 交織并聯(lián)LLC輸出電流質(zhì)量核算

下面以全橋LLC諧振變換器并聯(lián)為例，剖析交織并聯(lián)對(duì)較小電流紋波帶來的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)圖2的LLC充電機(jī)電路，設(shè)二極管整流后輸出的電流為is，經(jīng)過濾波電容Cf濾波后輸出的電流為Io。當(dāng)開關(guān)頻率fs與諧振頻率fr滿意fs=fr時(shí)，變壓器副邊的整流電流臨界接連，且輸出波形的形狀近似正弦，is(t)與Io的波形如圖3所示。為了便于剖析，此處假定is(t)=l Issin(ωst) l，其間，ωs是開關(guān)頻率的角頻率，并滿意，ωs=2πfs，Ts=1/fs，由平均電流的界說可以得到：

依據(jù)式(1)可以得到is(t)與Io的聯(lián)系

依據(jù)圖3可知，因?yàn)長(zhǎng)LC諧振變換器的副邊電流is(t)的頻率是開關(guān)頻率的兩倍，當(dāng)n個(gè)LLC模塊輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)時(shí)，若各路操控信號(hào)之間的相位依然順次相差2π／n，則當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)有n／2路模塊的輸出濾波電流與其他路相位共同的狀況。因而，當(dāng)LLC諧振變換器交織并聯(lián)時(shí)，各路操控信號(hào)之間的相位差應(yīng)當(dāng)設(shè)置為π/n，為了確保輸出電流的平均值仍為Io此刻is(t)的表達(dá)式如下：

依據(jù)式(3)，可以畫出n別離取1、2和3的時(shí)分整流電流is(t)的波形，如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)并聯(lián)模塊數(shù)越多時(shí)，is(t)的頻率越高，電流紋波值越小。經(jīng)過核算可以得到，兩路LLC模塊并聯(lián)時(shí)的輸出紋波電流是單路狀況下的20.7％ ，三路LLC并聯(lián)輸出時(shí)的紋波電流則是單路狀況下的9％ 。因而，多路LLC交織并聯(lián)的操控方法可以大大下降變換器副邊輸出電流的紋波，減小濾波電容的數(shù)量，有利于進(jìn)步變換器的功率密度，進(jìn)步對(duì)蓄電池的充電質(zhì)量。

3 寫在后面的話

經(jīng)過反復(fù)理論核算，交織并聯(lián)LLC 可有用下降輸出紋波。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC／T 895的請(qǐng)求，電動(dòng)汽車車載充電機(jī)輸出電流紋波請(qǐng)求小于5％ ，本計(jì)劃在滿意此請(qǐng)求的前提下，可有用削減濾波電容。現(xiàn)在業(yè)界交織并聯(lián)PFC的計(jì)劃現(xiàn)已十分老練，根據(jù)相同的思考，交織并聯(lián)LLC中也可將每個(gè)開關(guān)器材的電流應(yīng)力降為1／n，可進(jìn)步商品的功率等級(jí)，合適大功率的運(yùn)用。