文献标识码： B
文章编号： 0258-7998(2014)07-0048-03
目前，电动汽车的研发和使用已成为全球科研工作者的热门研究方向。世界上以特斯拉电动汽车为首，电动汽车技术已经取得了巨大的发展[1]。所以针对电动汽车的充电技术也得到越来越多的关注[2]，尤其是大功率充电器的效率问题。
在电动汽车充电器设计中，因为充电装置功率等级较高，开关频率大，所以充电器效率已经成为设计者不可忽视的因素。LLC谐振变换器[3]以其结构简单、功率密度高、开关损耗小而成为设计者们提高电源系统效率的优先考虑方向。参考文献[4]提出了基于谐振电流最小的谐振网络参数优化设计方法。参考文献[5]介绍了数字芯片产生PWM波驱动LLC谐振网络，其通用性强，但编程复杂，成本高。参考文献[6]设计了基于UC3846的变频电路在LLC半桥控制中的成功运用，为LLC电路模拟控制变频电路设计提供了思路。
本文在参考前人的基础上，设计了基于UC3846和ARM9系列数字控制器的电动汽车充电器应用电路，重点讨论了LLC谐振半桥的工作原理和基于UC3846的变频控制方式，并运用数字控制方式实现宽范围恒流恒压输出以及整机系统智能保护。最后给出了实际系统测试结果，验证设计电路的可行性。
1 半桥LLC工作原理及参数设计
1.1 半桥LLC拓扑及工作原理
LLC谐振兼顾串联谐振和并联谐振的优点，能以很小的频率变化范围调节宽范围的输出频率，在全负载范围内实现开关管ZVS。LLC谐振网络拓扑结构如图1所示。
图1中VD1、CO1和VD2、CO2是开关管S1、S2的体二极管和寄生电容，副边是全波整流电路。其增益特性主要由Cr、Lr、Lm 3个参数决定，在一个工作周期中不同阶段Lr和（Lr+Lm）分别与Cr发生谐振，所以该电路有两个谐振频率：
LLC谐振网络增益特性分析主要采用FHA法，将流过谐振电感中的电流近视为正弦波，忽略影响较小的高次谐波分量，这样LLC网络增益特性随负载变化关系可表示为：
从图2中看出，在相同归一化频率下，不同负载对应不同的增益特性。负载越重，即Q越大，变换器的工作频率也越大。当fs与fr相同(即fn为1)时，变换器归一化增益
始终为1，与负载无关。以 fs为界，fs左边是ZCS区，右边是ZVS区。当LLC谐振转换器工作在ZCS区时，在开关瞬间有大量的反向恢复电流流过MOSFET，要充分利用最小工作频率的限制不让带MOSFET的LLC谐振转换器进入ZCS区。因此，在实际设计中应使变换器工作频率限制在fs和fr之间，并尽量靠近fr，最低工作频率fsmin应该大于fs，这样可以使变换器实现全负载ZVS和保持在较高的效率。
1.2 谐振网络参数设计
对于LLC谐振半桥网络，其前级输入是PFC输出，由式(1)、式(2)根据输入电压和输出要求可以确定LLC网络增益，并确定工作频率范围。从1.1节的分析可知，LLC谐振网络参数的选取必须保证电路工作在感性区。由式（3）可得谐振网络归一化阻抗表达式为：
为保证谐振网络工作在感性区，即谐振电流滞后于输入电压，令式（4）的虚部为零，可以得到容性区和感性区的临界点，此时：
此外，为了实现半桥开关管ZVS，必需保证第一个半周期结束时，谐振电流大于在死区时间内给CO完全放电所需的最小电流，此处不再尽述。
2 LLC半桥主电路控制设计
电动汽车的充电方式主要采用三段式充电法，为了满足各充电阶段的充电电压、电流变化需求，在本设计中采用UC3854实现LLC网络的变频控制，利用数字芯片来控制LLC网络输出不同的充电电压和电流。
2.1 变频电路设计
由第1节叙述分析可知，对LLC谐振网络采用PFM控制，并且开关频率要限制在合适的范围内。本文选择模拟芯片UC3846实现变频控制功能。UC3846是TI公司的电流脉宽调制芯片，双端输出正好符合半桥结构两个开关管驱动的要求。其主要优点是功能齐全，具有自动前馈补偿、强大的带载响应特性、欠压保护、软启动等功能，工作频率高达500 kHz，完全符合本电源系统的要求。其主控电路设计如图3所示。其中，UC3846振荡宽频率由RT、CT决定:
通常RT阻值不变，通过改变振荡CT的充电时间来改变输出的脉冲频率。图3中引脚CT和Q1、D3、D5、C5、R11构成变频电路，稳压管D3、D5起到限制频率范围的作用。当系统输出环路输出参数变换时，UC3846芯片输出驱动信号发生变化，驱动信号累加和AB_SUM死区宽度改变，电容CT充电时间发生变化，改变驱动信号频率。D5起到抑制尖峰作用，C5累加死区脉冲。
本电源系统设计要求额定输出电压80 V时谐振频率为36 kHz，输出电压范围为60 V～100 V，且开关频率范围限制在30 kHz～48 kHz之间，稳压管D3限制工作频率。
2.2 双闭环控制回路设计
因为系统需要输出电压、电流的精确控制，所以采用双闭环控制。电压环路和电流环路如图3中所示。其中，电压外环的输出作为电流内环的基准值。电流环路采用“电压回缩”设计，即通过调整电压参考值，保持输出电流恒定，满足恒流要求。具体电路如图4所示，电压基准值V_REF首先由ARM9数字控制器给定V_SET。V_SET即是最终需要的输出电压，经电平转换后得到恒定的电压基准值V_RRF，电流基准值也是如此。但V_REF同时受到I_REF影响，在图4中，当电流给定，I_SET增大时，I_REF同比例增大，运放IC12输出为负，Q1导通，“电压回缩”电路工作，电阻Rss被接入电路，与V_REF后级分压电路并联， 使得V_REF分压减小，输入UC3846芯片内部的电压基准值降低，保持恒流输出。这样通过在数字芯片中调整V_REF和I_REF满足了电动汽车各阶段的充电电压、电流需求。
2.3 系统保护电路设计
充分利用芯片shutdown引脚，当其电压低于0.5 V时，芯片内部关闭驱动信号输出，LLC半桥电路停止工作，实现系统保护。保护电路主要是充电电路过压、过流保护，其他保护(如温度等)此处不再尽述。因为电源系统是大功率输出，当发生短路故障时，系统流过的电流将非常大，对整个系统及人员的危害会非常巨大。因此，过压、过流保护非常重要。整机系统输出端过压、过流保护电路设计如图5所示。
在图5中，外围电路实时检测充电器输出电压、电流等电气参数，电压、电流经过分压和数字处理后与保护设定值比较。当系统输出电压、电流超出保护设定值时，主控芯片shutdown引脚被触发，以保护后级电路。
3 系统实例测试及结果
为验证所设计充电控制系统的正确性和可靠性，在一台实验样机上进行了相关测试。样机LLC谐振具体主要参数如下：
(1)输入电压：
Vdcmin=390 V，Vdcmax=410 V，Vdc=400 V；
(2)输出电压：
Vomin=60 V，Vomax=100 V，Vo=80 V；
(3)空载输出功率：Pe=3 000 W；
(4)满载输出功率：
Po=(Vomax+Vf)Io=(100+0.8)×33.3 W=3.356 6 kW；
(5)谐振频率：fr=36 kHz；
(6)正常工作频率区间：30 kHz～48 kHz。
通过理论分析，设计LLC谐振参数分别近似取为：Lr=58 μH，Lm=168 μH，Cr=330 nF，变压器匝比n=2.562 5，原边近似取14匝，副边6匝，选择EE70/32型磁芯。LLC谐振半桥的充电器整机系统测试结果如图6所示，图6(a)是样机输出短路测试曲线，图6(b)是系统输出电压/电流测试和整机效率曲线。其中，电压/电流波形横坐标是时间，纵坐标是幅值，短路测试中输出电流、电压分别为200A/格、20V/格，带载电压调节测试中电流、电压为20A(V)/格。图6中的短路输出测试表明(实际测试时是3个模块并联)：系统短路时，电流急剧上升（最高接近600 A），过流保护电路工作，芯片频繁重新启动，维持15 A低电流输出。从系统电压测试和效率测试结果看出，样机在限频模式下能够实现输出电压/电流的连续调节，且调节过程平稳光滑，测试结果以98 V～58 V为例。另外，效率曲线表明，整机系统效率维持在92%以上的较高水平。相比于小功率LLC谐振电源高效率特性，本设计能够在大功率场合也能保持较高的效率，具有扩展性。
本文针对LLC型半桥高效率电动汽车充电器，在对电动汽车充电原理和LLC半桥工作过程的分析基础上，设计了以UC3846和ARM9为核心的控制电路，实现电源系统电压/电流输出的宽范围调节，满足各阶段充电需求和智能控制。并且采用变频控制，充分利用LLC谐振网络的软开关特性实现电源系统的高效率输出。设计的样机运智能化程度高，运行可靠，满足要求。
参考文献
[1] 梁彦彦，颜钢锋.电动汽车制动与能量回馈技术研究[J].电子技术应用，2013，39（5）：61-64.
[2] 李星.3.5 kW电动汽车车载充电机的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2013.
[3] Xie Xiaogao，Zhang Junming，Zhao Chen，et al.Analysis and optimization of LLC resonant converter with a novel overcurrent protection circuit[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(2)：435-443.
[4] 刘大庆，师宇杰.一种新的LLC倍压谐振变换器参数设计方法[J].信息工程大学学报，2010，11(4)：403-406.
[5] 唐明明.基于DSP的LLC谐振变换器的研制[D].长沙：中南大学，2009.
[6] 陈宪彪，尹斌.一种基于UC3846的变频设计与应用[J].信息通信，2012(1)：66-67.