《电子技术应用》
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LLC谐振变换器在两级充电机的应用研究
2018年电子技术应用第9期
林玉婷,曹太强,陈雨枫
西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039
摘要: 针对传统电动汽车充电机低功率密度、低充电效率和输入电流谐波含量高等问题,采用了一种新的拓扑结构。前级采用两级交错并联Boost PFC电路,能有效提高前级变换器功率密度,降低输入电流的THD值;后级采用半桥LLC谐振电路,以提高后级变换器的功率密度以及充电效率。详细分析了两级交错并联Boost PFC和半桥LLC谐振变换器的工作原理,采用基波分析方法(First Harmonic Approximation,FHA)对LLC谐振网络进行了建模,并在此基础上确定了开关频率的范围及最优工作区间,仿真并实验验证了其数学模型和参数设计的正确性。最后,设计了一台输入电压范围为175 V~265 V,最大输出功率为1.5 kW的充电机,实验结果表明其前级变换器功率因数达到0.996,输入电流THD为4%,整机效率可达94%。
中图分类号: TM7
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174543
中文引用格式: 林玉婷,曹太强,陈雨枫. LLC谐振变换器在两级充电机的应用研究[J].电子技术应用,2018,44(9):162-166.
英文引用格式: Lin Yuting,Cao Taiqiang,Chen Yufeng. The research and application of LLC resonant converter in two-stage charger[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):162-166.
The research and application of LLC resonant converter in two-stage charger
Lin Yuting,Cao Taiqiang,Chen Yufeng
School of Electrical Engineering and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039,China
Abstract: Aiming at the low power density, low charging efficiency and input current harmonic content of traditional electric vehicle charging machine, a new topology structure is adopted in this paper. The former stage adopts two-stage staggered parallel Boost PFC circuit, which can effectively improve the power density of the former converter and reduce the THD value of the input current. The rear stage adopts the semi-bridge LLC resonant circuit to improve the power density and charging efficiency of the rear converter. The working principles of the two-level staggered parallel Boost PFC and the half-bridge LLC resonant converter are analyzed. The fundamental wave analysis method(First Harmonic Approximation,FHA) is used to do LLC resonant network modeling, and on this basis it determines the scope of switching frequency and the optimum working range. The simulation and experiment validate the correctness of the mathematical model and parameter design. Finally, a charger is designed whose input voltage is 175 V~265 V, and maximum output power is 1.5 kW. The experimental results show that the front-end converter power factor is 0.996, the input current THD is 4%, and the machine efficiency can reach 94%.
Key words : charger;FHA;Boost PFC;LLC resonant converter

0 引言

    车载充电机拓扑通常由前级PFC和后级DC-DC组成[1-3],以实现高功率因数、低谐波的蓄电池充电[4-5]。随着充电机功率密度要求的提高,单级Boost PFC电路很难满足需求。本文采用两级交错并联Boost PFC作为充电机的前级,提高变换器功率密度、充电效率的同时,还降低了输入电流谐波及开关损耗[6-8]

    本文分析了两级交错并联Boost PFC电路平均电流控制原理和后级半桥LLC谐振变换器电路脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)下的工作原理,并采用FHA分析法[9]建立了LLC谐振电路的稳态模型,研究了谐振网络的电压增益及输入阻抗与开关频率的关系,为不同工作模式下LLC谐振网络的参数设计提供了理论指导。

1 两级交错并联Boost PFC变换器

    两级交错并联Boost PFC变换器拓扑如图1所示,由两个参数相同的Boost PFC变换器单元并联而成,电路中两个功率开关管的PWM驱动信号相位相差180°[10]。 

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    图2所示,两级交错并联Boost PFC变换器与单级拓扑相比,输入电流纹波在整个占空比范围内均得到改善。当占空比为50%时,纹波电流接近零。

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2 半桥LLC谐振变换器

    半桥LLC谐振变换器拓扑如图3所示。其采用PFM控制模式,即开关以互补导通的方式控制,通过改变开关频率调节输出电压和电流。

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2.1 半桥LLC谐振变换器工作原理

    串联谐振回路中包括Lr、Lm、Cr 3个谐振元件,构成了两个不同的谐振频率。当整流侧有电流流过时,变压器的励磁电感Lm被输出电压钳位不参加谐振,谐振频率只由Lr和Cr决定,故为:

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    根据变压器输入电压和负载的不同,工作分为模式I(fm<f<fr),II(f=fr)和III(f>fr),模式II和III包含在I中,所以本文仅对模式I作介绍,模式I波形如图4所示。

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    3种模式下变换器原边开关管都能实现ZVS。模式I和II能实现副边二极管的ZCS,但模式III副边二极管有反向恢复损耗,所以应尽量使其工作在fr附近。

2.2 基于FHA稳态建模与分析

    不同于传统的PWM变换器利用平均值传输能量,LLC谐振变换器利用电压电流基波分量传输能量,不考虑其他谐波,本文采用FHA[9]对半桥 LLC进行建模,如图5所示。

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    谐振电路两端口模型可以由其传递函数H(s)表示:

    dy6-gs3-4.gif

    为了方便分析,用以下参数定义:

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    如图6(a)所示,当fn=1时,增益曲线上出现一独立负荷点,该点时直流增益不受Q与k的影响恒为1,输出特性最佳。当f<1时,Q越大直流增益越小,存在一个极大值点,该点随着Q的增加逐渐右移,直到与f=1重合。

    图6(b)为电压增益对fn的不同k值曲线,由图知谐振频率fr(fn=1)处呈现与负载无关的工作点,峰值点k值越大,峰值电压增益越大,开关频率上的电压增益更敏感,使控制和调节更容易;但k值不能太大,否则励磁电感过小,会造成过大的导通和关断损耗。

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    由图5所示的统一FHA模型可得到谐振网络归一化输入阻抗表达式:

    dy6-gs7.gif

    由式(7)可得归一化输入阻抗幅值表达式:

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    当fn>fn.cross时,|Zn(fn,K,Q)|随着Q的减小而减小,特征阻抗的减小使得输出电流变小;当fn<fn.cross时,|Zn(fn,K,Q)|随着Q的减小而增大,特征阻抗的减小使得输出电流变小。因此,谐振变换器的工作频率要尽量高于fn.cross。此外,当谐振频率fn工作在(fn.cross,1)区间时才是谐振变换器的理想工作频率范围。因此需要找到(fn.cross,1)范围内感性和容性区域的分界线。

    设Zn(fn,K,Q)的虚部为零,可得到LLC谐振变换器的容性和感性区域的分界线。分析结果如下:

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    由式(13)可以描绘出Mmax(λ,Q)的轨迹,就可得到感性和容性区域的分界线,如图8所示。

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    如图8所示每个给定的Q值,增益曲线的峰值都落在容性区域。虚线为输入阻抗的分界线,当工作于容性区时开关管可实现ZCS,而工作于感性区时可实现ZVS。

    此外,通过式(13)可以求解fn,从而得到允许最大增益落在分界线上的最小归一化频率fn.min

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    此外,把式(14)代入式(11),可得允许最大增益落在分界线上的最大品质因数:

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    由式(14)、式(16)可确定谐振变换器的频率区间。

3 实验结果分析

    为了验证理论分析的正确性,根据上文的分析和仿真设计了一台1.5 kW实验样机。实验结果如下。

    图9表明输入侧实现单位功率因数且THD值低于4%;次级LLC谐振变换器的工作频率约为96 kHz,接近谐振频率;纯阻性负载时输出电流纹波为1.8 A。图10为充电机输出效率曲线,最高输出效率可达94%。

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4 结论

    本文设计了一款交错并联Boost PFC电路作为前级,半桥LLC谐振电路作为后级的两级式拓扑结构的车载充电机。试验结果表明:在175~265 V的交流电压输入范围内充电机能够保持高效稳定地工作,整机运行功率因数可达至0.99,输入电流谐波含量能够控制在4%以下。额定负载时,后级LLC谐振变换器的开关频率可控制在谐振频率附近,实现了软开关,确保功率开关管工作在ZVS状态,降低了开关管损耗和温升,输出整流二极管能实现ZCS,降低了反向恢复损耗。在阻性、容性负载条件下均具有较高的效率,最高可达94%。

参考文献

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[10] HU S,DENG J,MI C,et al.Optimal design of line level control resonant converters in plug-in hybrid electric vehicle battery chargers[J].IET Electrical Systems in Transportation,2014,4(1):21-28.



作者信息:

林玉婷,曹太强,陈雨枫

(西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039)