用于OBC的DC-DC級的LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓撲

本文介紹了文獻中描述的流行的 LLC 和 LLC 派生雙向轉(zhuǎn)換器拓撲。

為車載充電器 (OBC) 選擇 DC-DC 轉(zhuǎn)換器方案基于效率、性能和功率密度目標，因此首選諧振轉(zhuǎn)換器。本文介紹了文獻中描述的流行的 LLC 和 LLC 派生雙向轉(zhuǎn)換器拓撲。

介紹

如圖 1.1 所示，典型的 OBC 架構(gòu)具有一個雙向前端 ac-dc 級，后跟一個隔離的雙向 dc-dc 轉(zhuǎn)換器，為高壓電池充電。設(shè)計人員必須滿足整個電網(wǎng)和電池電壓范圍的性能、效率和功率密度目標。對于 ac-dc 級，圖騰柱 PFC 是首選解決方案。充電算法在 DC-DC 階段實現(xiàn)。dc-dc 以高頻切換，需要在兩個方向上都具有軟切換的拓撲結(jié)構(gòu)，即使使用寬帶隙設(shè)備也是如此。

圖 1.1：典型的 OBC 動力系統(tǒng)

相移全橋 [1] 是一種合適的拓撲結(jié)構(gòu)，但存在諸如有限的零電壓開關(guān) (ZVS) 范圍、獲得 ZVS 的占空比、次級設(shè)備的緩沖器等問題。雙有源橋也與 ZVS 一起運行，但具有最佳性能固定輸出的性能。對于高功率，諧振轉(zhuǎn)換器是首選，因為它們在所有設(shè)備中都提供軟開關(guān)，即使在高頻下也具有低 EMI。

元件數(shù)量少、利用變壓器漏電感進行諧振以及沒有緩沖器/鉗位電路是其他附加優(yōu)勢?；?FET 的整流器使轉(zhuǎn)換器雙向。本文介紹了用于 DC-DC 的 LLC 和 LLC 派生拓撲，并介紹了這些轉(zhuǎn)換器的 OBC 設(shè)計挑戰(zhàn)。

用于 Bi-OBC 的諧振 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

典型 6.6kW OBC 的 DC-DC 級規(guī)格如表 2.1 所示。該設(shè)計針對最高功率，電流和熱應(yīng)力是針對充電模式確定的。請注意，兩種模式的效率要求都很嚴格。

表 2.1：OBC dc-dc 級規(guī)格

LLC諧振轉(zhuǎn)換器

LLC 功率級如圖 2.1 所示。該電路有兩個由隔離變壓器隔開的全橋電路。變壓器變比是針對標稱工作電壓設(shè)置的。諧振回路增益是諧振元件（Lm、Lr 和 Cr）、負載和開關(guān)頻率的函數(shù)。

圖 2.1：LLC 轉(zhuǎn)換器功率級

LLC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計程序不是直接的，最終確定最佳諧振回路組件值需要一些迭代。設(shè)計步驟總結(jié)如下

1. 根據(jù)標稱工作輸入和輸出電壓（400V 輸入和 330V 輸出）設(shè)置變壓器匝數(shù)比 (N)

2. 根據(jù)表 2.1 中的轉(zhuǎn)換器參數(shù)確定最大和最小增益要求。最大增益通過最大輸出電壓和最小輸入（考慮 PFC 輸出中的線路頻率紋波含量的最小電壓）進行評估。同樣，輸入電壓的峰值將用于最小增益計算

3. 計算開關(guān)頻率范圍。這將是一個迭代過程，需要調(diào)整油箱參數(shù) Q（品質(zhì)因數(shù)）和 M（Lm 與 Lr 的比率）

設(shè)置共振頻率值。優(yōu)選高頻以減小變壓器的尺寸。此外，輸出濾波電容和諧振電容值隨頻率降低。然而，在決定頻率時必須監(jiān)控變壓器和 FET 的關(guān)斷損耗。

確定諧振時的最大 Lm 值，該值需要對 FET 的 Coss 放電并幫助初級器件的 ZVS 導(dǎo)通

為 M 設(shè)置一個值作為開始。M 值高表示高磁化電感和低循環(huán)能量，但可實現(xiàn)的增益有限。對于較低的 M 值，可以在較窄的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高增益。產(chǎn)生的磁化電感較小，相關(guān)的循環(huán)電流和損耗較高。6 到 10 之間的值足以從 [6] 開始。

根據(jù)滿載時的最大增益要求選擇 Q。如果增益不夠，則必須減小M值。增益范圍應(yīng)在整個負載范圍或 Q 范圍內(nèi)實現(xiàn)。

相關(guān)增益的頻率范圍應(yīng)該很小，并且最小頻率對磁體尺寸和損耗的影響應(yīng)該很小。重申 Q 和 M 的設(shè)計以滿足增益和頻率范圍標準

4.根據(jù)M和Q的值，最終確定Lr、Cr和Lm的值。

LLC 轉(zhuǎn)換器具有雙向潮流能力。但是在放電模式下，磁化電感直接出現(xiàn)在電池兩端，然后是 Lr 和 Cr，從而產(chǎn)生串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器類型的配置。[4]中LLC在充放電曲線中的增益曲線如圖2.2所示。放電曲線顯示轉(zhuǎn)換器沒有電壓增益，將導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。在 [2] 中，LLC 在放電模式下以諧振頻率切換，并且在 LLC 調(diào)節(jié) PFC 級的輸入后附加升壓轉(zhuǎn)換器級。在電池充電模式下，升壓級被繼電器旁路。然而，這種方法增加了組件成本和系統(tǒng)尺寸。

圖 2.2：LLC 充放電模式增益曲線

CLLLC 諧振轉(zhuǎn)換器

具有 5 個諧振元件的雙向 CLLLC 諧振轉(zhuǎn)換器如圖 2.3 所示。諧振回路是對稱的，轉(zhuǎn)換器在充電和放電模式下具有近似相似的增益曲線。

圖 2.3：CLLLC 轉(zhuǎn)換器功率級

CLLLC 功率級的設(shè)計方法類似于 LLC 轉(zhuǎn)換器。次級諧振元件都稱為初級，等效電路產(chǎn)生傳遞函數(shù)。為了簡化設(shè)計步驟，假設(shè)反射 Lrs 與 Lrp 相同，并設(shè)置反射 Crs 與 Crp 的比率。調(diào)整等效 M 和 Q 值以滿足兩種模式下的增益和頻率范圍標準。在確定M值時，保證增益曲線單調(diào)遞減，沒有多個峰值，從而在整個工作頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)線性控制。

CLLC 諧振轉(zhuǎn)換器源自CLLLC，其中消除了次級側(cè)諧振電感。然而，需要使用 Crs 來調(diào)整放電模式的增益曲線。如果還要利用變壓器漏感，則等效配置變?yōu)?CLLLC 類型。[3] 中介紹了 3.5kW OBC 的 CLLLC 設(shè)計示例和實驗結(jié)果。

具有可變直流鏈路電壓的 CLLLC

輸出調(diào)節(jié)的頻率變化使轉(zhuǎn)換器偏離諧振，轉(zhuǎn)換器優(yōu)化的點。為了將頻率擺幅保持在最低限度，直流總線電壓會根據(jù)所需的輸出電壓而變化。調(diào)整變壓器變比，使最小輸出電壓對應(yīng)于 400V 直流母線，然后直流鏈路根據(jù)設(shè)定的輸出參考線性變化。[4] 中的設(shè)計呈現(xiàn)的增益曲線如圖 2.4 所示，頻率范圍顯著降低。

圖 2.4：固定直流母線和可變直流母線 CLLLC 的增益曲線

結(jié)論

諧振轉(zhuǎn)換器無疑是 OBC dc-dc 轉(zhuǎn)換的首選。借助現(xiàn)代寬帶隙器件，設(shè)計人員可以輕松實現(xiàn)高頻下的高效率。文章中描述了基于 LLC 轉(zhuǎn)換器的流行諧振轉(zhuǎn)換器配置。介紹了文獻中適合雙向 OBC 規(guī)范的設(shè)計方法。
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