LLC全桥变换器电动汽车充电机设计

张 涛



LLC全桥变换器电动汽车充电机设计

张 涛

（浙江交通职业技术学院，杭州 311112）

直流-直流变换器技术是电动汽车充电站的关键技术之一，得到广泛的研究。本文介绍了一种基于LLC谐振变换的全桥直流变换器，分析全桥谐振电路充电机工作的谐振频率，研究能够实现ZVS和ZCS的条件，介绍谐振电感和谐振电容的选择、主变压器的参数设计以及主要器件的参数影响。根据国标设计直流-直流充电机模块，进行试验验证，分析实验效果。

LLC谐振；全桥变换器；电动汽车充电机

2017年我国的电动汽车销量达到77.7万辆，新能源汽车产业得到快速的发展，但也面临一些问题，例如充电桩的建设距离1∶1的配置比例还有较大距离等情况。直流快速充电桩能快速充电，是当前建设的重点，得到广泛的研究。研究热点包括模块化充电机技术、LLC谐振变化控制技术、三相APFC技术等方面[1]。在直流-直流变换器领域，多采用全桥隔离拓扑结构，大量应用移相全桥的软开关技 术[6]，当前LLC谐振技术成为研究的热点，可以大大提高直流-直流变换器的效率[8]。

全桥谐振直流-直流变换电路具有结构简单、效率高、功率大的特点。本文研究基于LLC谐振全桥直流-直流变换电路具体的参数设计过程，分析电路参数的影响，应用于实际产品的工程设计。

1 充电机直流-直流变换器的特点

直流充电桩的直流母线电压一般为800V，如果直接采用桥式变换电路，很难选取合适的开关管，为了设计方便和效率优化，系统中选取中点电压的参考电压，做了两个400V直流-直流的变换电路。DC-DC部分采用DSP控制，拓扑架构采用两个LLC全桥谐振变换电路原边串联，输出并联的方案，对于大电流的输出也可以利用同步整流技术整流。

全桥谐振变换器对比半桥谐振变换器，多了一个桥臂，谐振电容、谐振电感和励磁电感构成谐振回路，励磁电感为隔离变压器的内部电感，半桥谐振电路如图1所示。

传统LLC全桥谐振变换电路控制多采用模拟控制芯片实现，如UCC6599等，根据输出电压或电流误差大小控制移相角，实现稳定输出。数字控制的基本思路同传统模拟控制相同，差别是数字控制处理的是数字信号，并且可以方便的实现比较复杂的控制策略，不像模拟控制需要大量的外围线路。LLC全桥谐振变换电路变换器采用改进型主拓扑结构，利用辅助电感实现滞后臂的ZVS，其拓扑结构如图2所示。

图1 LLC谐振变换器的原理图

图2 LLC谐振全桥变换器的原理图

其中，Q1、Q2、Q3、Q4为主开关，采用两个变压器原边串联副边并联的输出结构，对于低压输出的充电机，还可以采用同步整流技术，进一步降低通态损耗。r、r分别为谐振电感和谐振电容。全桥LLC电路的工作过程和半桥LLC电路具有相似性，可以利用半桥谐振的工作过程进行分析，本文以Q1和Q2的电压电流，作为分析可以得到各个工作阶段的具体波形如图3所示。

在=1，整流二极管D2电流降到零，副边电流开始换向，二极管D1开始导通，保持在续流状态，励磁电流在电压作用下开始增加，变压器原边电压保持在O。同时，原边谐振电流还没有由负变正，原边电流通过开关管Q1的寄生二极管进行续流。在=2时间，谐振电流也会降到零，开关管电流降到零。开关管Q1的驱动信号一般在续流电流过零前施加，开关管MOSFET实现零电流关断。同理，在=4时，开关管Q2的驱动信号之前，开关管ds已经下降为零，实现零电压开通。通过软开关，实现全桥DC-DC变换电路的高效率。

图3 谐振变换器不同阶段的工作波形

2 全桥谐振直流-直流变换器参数设计

电动汽车充电机的充电过程具有充电平台，充电过程大部分时间为恒流充电，电池容量较小时，电压较低；电池容量接近充满时，电池电压快速上升，这时应该切换恒压充电模式。电池的整个充电过程，电压具有比较大的跨度，这要求直流-直流变换器具有较好的调压功能。本文采用全桥式LLC变换电路，通过变压器调整电压的变比，以实现高压输出；LLC电路要设计的参数比较多，与变换器的工作状态有很大关系。本文在设计中主要考虑的是直流母线电压和充电输出电压的范围、充电输出最大功率和充电曲线响应性能、开关频率范围等指标。

2.1 主变压器参数设计

全桥谐振变换器的变压器匝比的设计需要考虑母线电压和充电平台电压的关系，结合LLC变换器的开关频率以及对应的增益范围进行分析，充电机的直流母线电压本文设定为800V的直流母线，两个全桥串联工作，单个为400V DC，在LLC全桥变换器中，变换器增益主要由开关频率决定，不同的值对应的增益曲线如图4所示。

根据全桥谐振电路的增益曲线特性，不同的值条件下，开关管开关工作频率等于谐振频率时，原边电流都能实现开关管的零电压开通和零电流关断，在LLC变换器充电系统中，把电池充电较长的电压设定为谐振频率，直流直流变换器的开关损耗最小，变换器的工作效率最高。

图4 全桥LLC变换器的增益曲线

根据变压器的匝比分析，变换器的增益设定为1∶1的关系，可以得到

解得：

2.2 全桥谐振参数设计

全桥谐振变换器设计中，优先设计励磁电感与谐振电感的比值。励磁电感与谐振电感的比值通常标识为值。在谐振变换器的工作频率低于谐振频率r时输出电压升高，在高输入电压的情况下，可以降低开关频率，满足开关管实现软开关的条件，这样变换器可以在输入电压波动的情况下优化变换器的输出效率。同时在轻载情况下，也可以减小轻载时的开关频率，方便变换器在空载时的调压。变换器原边电感存储的剩余能量，可以实现开关管在轻载时的软开关。

根据变换器的最高电压确定最低增益，可以得到

满足变换器能在最高工作频率时获得稳定的输出增益，可以得到

式中，max为最低增益；max为变换器最高开关频率。

3 实验结果

根据本文参数分析，设计一套实验样机，根据电动汽车国家标准，输出额定电压选择440V DC规格，输出电压范围设定为200～450V DC；输入电压为直流母线的输出，电压稳定在760V DC左右，DC-DC采用两个全桥变换器串联的办法，直流充电机一般采用模块化设计，本实验样机的模块输出额定功率为3500W，开关频率设定为100～500kHz，输入电压较高时，采用调节PWM输出的办法降低输出电压。本样机的充电平台电压设定为360V，可以满足小轿车的充电要求。本样机的工作电流较小，未采用同步整流方案。

根据分析，变压器原副边的匝比计算：

变压器实际匝比确定为

根据输出电压增益、空载稳定条件以及ZVS条件，选取

全桥LLC谐振实现软开关是零电压开通和零电流关断，有效降低开关损耗，工作过程中的开关管的驱动和应力波形如图5所示，在开关管开通前，开关管两端电压已经下降为零；开关管关断时，输出整流管电流和谐振电流也已经下降接近于零。

图5 全桥开关工作驱动、电压和电流波

不同的开关器件和整流二极管对效率具有影响，主要是器件的通态电阻和结电容的影响，采用SPW47N60C3的通态电阻为0.07W结电容为2.2nF，IPW60R045CP的通态电阻为0.045W，结电容为0.32nF，根据对比可见降低通态电阻和结电容，可以有效提升全桥谐振变换器效率。不同开关器件的输出效率如图6所示。

图6 不同开关器件的输出效率

4 结论

本文根据直流快速充电机的技术要求，设计全桥谐振直流直流变换电路。采用LLC谐振的基本拓扑，分析全桥谐振变换器的工作特点，介绍实现ZVS和ZCS的工作过程，研究了全桥谐振变换器的变压器参数和谐振电感等参数的设计方法。设计试验样机，对比不同方案的效率，验证了基于谐振变换的全桥谐振直流-直流变换器的优点。

[1] 阮新波, 严仰光. 脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M]. 北京: 科学出版社, 1999.

[2] 李菊, 阮新波. 全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略[J]. 电工技术学报, 2013, 28(4): 72-79, 94.

[3] 曹以龙, 黄锦, 赵转. 电动汽车充电机中PWM整流器的性能研究[J]. 电测与仪表, 2016, 53(2): 102-107.

[4] 李霁雰, 陈阳生, 章玮. 基于CAN总线的电动汽车中继站研究[J]. 机电工程, 2015, 32(3): 379-383.

[5] 梁昊, 张军明. 一种简化的LLC谐振变换器小信号分析方法[J]. 电力电子技术, 2011, 45(10): 71-72, 95.

[6] 刘闯, 刘艳鹏, 刘海洋, 等. 高频隔离型电动汽车快速直流充电器研究[J]. 电工技术学报, 2016, 31(3): 40-49.

[7] 刘一希. 基于全数字控制LLC谐振变换器的电动汽车电池充电器研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2014.

[8] 陈章勇, 肖皓中, 陈利, 等. 不对称控制全桥副边双谐振DC-DC变换器[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(27): 78-87, 12.

[9] 陈轶涵, 韦徵, 王赟程, 等. 交错并联移相全桥全负载状态静态特性研究与优化设计[J]. 电工技术学报, 2014, 29(10): 49-56.

[10] 张涛, 朱小平. 基于LLC变换器的电动汽车充电机设计[J]. 电气技术, 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

张 涛（1980-），男，硕士研究生，工程师，主要从事电力电子与电力传动方面的研究工作。