2017年我國的電動(dòng)汽車銷量達(dá)到77.7萬輛，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到快速的發(fā)展，但也面臨一些問題，例如充電樁的建設(shè)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(dāng)前建設(shè)的重點(diǎn)，得到廣泛的研究。

研究熱點(diǎn)包括模塊化充電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大量應(yīng)用移相全橋的軟開關(guān)技? 術(shù)[6]，當(dāng)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(jié)構(gòu)簡單、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(shù)設(shè)計(jì)過程，分析電路參數(shù)的影響，應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)。

1? 充電機(jī)直流-直流變換器的特點(diǎn)

直流充電樁的直流母線電壓一般為800V，如果直接采用橋式變換電路，很難選取合適的開關(guān)管，為了設(shè)計(jì)方便和效率優(yōu)化，系統(tǒng)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?fù)浼軜?gòu)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(lì)磁電感構(gòu)成諧振回路，勵(lì)磁電感為隔離變壓器的內(nèi)部電感，半橋諧振電路如圖1所示。

傳統(tǒng)LLC全橋諧振變換電路控制多采用模擬控制芯片實(shí)現(xiàn)，如UCC6599等，根據(jù)輸出電壓或電流誤差大小控制移相角，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。數(shù)字控制的基本思路同傳統(tǒng)模擬控制相同，差別是數(shù)字控制處理的是數(shù)字信號，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，不像模擬控制需要大量的外圍線路。

LLC全橋諧振變換電路變換器采用改進(jìn)型主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用輔助電感實(shí)現(xiàn)滯后臂的ZVS，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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為主開關(guān)，采用兩個(gè)變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的輸出結(jié)構(gòu)，對于低壓輸出的充電機(jī)，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電路的工作過程和半橋LLC電路具有相似性，可以利用半橋諧振的工作過程進(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，副邊電流開始換向，二極管D1開始導(dǎo)通，保持在續(xù)流狀態(tài)，勵(lì)磁電流在電壓作用下開始增加，變壓器原邊電壓保持在nVO。同時(shí)，原邊諧振電流還沒有由負(fù)變正，原邊電流通過開關(guān)管Q1的寄生二極管進(jìn)行續(xù)流。在t=t2時(shí)間，諧振電流也會(huì)降到零，開關(guān)管電流降到零。

開關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號一般在續(xù)流電流過零前施加，開關(guān)管MOSFET實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。同理，在t=t4時(shí)，開關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)信號之前，開關(guān)管Vds已經(jīng)下降為零，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。通過軟開關(guān)，實(shí)現(xiàn)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(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電機(jī)的充電過程具有充電平臺，充電過程大部分時(shí)間為恒流充電，電池容量較小時(shí)，電壓較低；電池容量接近充滿時(shí)，電池電壓快速上升，這時(shí)應(yīng)該切換恒壓充電模式。電池的整個(gè)充電過程，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(diào)壓功能。

本文采用全橋式LLC變換電路，通過變壓器調(diào)整電壓的變比，以實(shí)現(xiàn)高壓輸出；LLC電路要設(shè)計(jì)的參數(shù)比較多，與變換器的工作狀態(tài)有很大關(guān)系。本文在設(shè)計(jì)中主要考慮的是直流母線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響應(yīng)性能、開關(guān)頻率范圍等指標(biāo)。

2.1? 主變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)（略）

全橋諧振變換器的變壓器匝比的設(shè)計(jì)需要考慮母線電壓和充電平臺電壓的關(guān)系，結(jié)合LLC變換器的開關(guān)頻率以及對應(yīng)的增益范圍進(jìn)行分析，充電機(jī)的直流母線電壓本文設(shè)定為800V的直流母線，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關(guān)頻率決定，不同的K值對應(yīng)的增益曲線如圖4所示。

根據(jù)全橋諧振電路的增益曲線特性，不同的K值條件下，開關(guān)管開關(guān)工作頻率等于諧振頻率時(shí)，原邊電流都能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷，在LLC變換器充電系統(tǒng)中，把電池充電較長的電壓設(shè)定為諧振頻率，直流直流變換器的開關(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

根據(jù)變壓器的匝比分析，變換器的增益設(shè)定為1∶1的關(guān)系，可以得到

2.2? 全橋諧振參數(shù)設(shè)計(jì)（略）

全橋諧振變換器設(shè)計(jì)中，優(yōu)先設(shè)計(jì)勵(lì)磁電感與諧振電感的比值。勵(lì)磁電感與諧振電感的比值通常標(biāo)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，可以降低開關(guān)頻率，滿足開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(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)的開關(guān)頻率，方便變換器在空載時(shí)的調(diào)壓。變換器原邊電感存儲的剩余能量，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管在輕載時(shí)的軟開關(guān)。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（略）

根據(jù)本文參數(shù)分析，設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，根據(jù)電動(dòng)汽車國家標(biāo)準(zhǔn)，輸出額定電壓選擇440V DC規(guī)格，輸出電壓范圍設(shè)定為200～450V DC；輸入電壓為直流母線的輸出，電壓穩(wěn)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(jī)一般采用模塊化設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的模塊輸出額定功率為3500W，開關(guān)頻率設(shè)定為100～500kHz，輸入電壓較高時(shí)，采用調(diào)節(jié)PWM輸出的辦法降低輸出電壓。

本樣機(jī)的充電平臺電壓設(shè)定為360V，可以滿足小轎車的充電要求。本樣機(jī)的工作電流較小，未采用同步整流方案。