《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LLC諧振變換器在兩級充電機的應(yīng)用研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
林玉婷,，曹太強,，陳雨楓
西華大學 電氣與電子信息學院,，四川 成都610039
摘要： 針對傳統(tǒng)電動汽車充電機低功率密度,、低充電效率和輸入電流諧波含量高等問題，采用了一種新的拓撲結(jié)構(gòu),。前級采用兩級交錯并聯(lián)Boost PFC電路,，能有效提高前級變換器功率密度，降低輸入電流的THD值,；后級采用半橋LLC諧振電路,，以提高后級變換器的功率密度以及充電效率。詳細分析了兩級交錯并聯(lián)Boost PFC和半橋LLC諧振變換器的工作原理,，采用基波分析方法(First Harmonic Approximation,，F(xiàn)HA)對LLC諧振網(wǎng)絡(luò)進行了建模，并在此基礎(chǔ)上確定了開關(guān)頻率的范圍及最優(yōu)工作區(qū)間,，仿真并實驗驗證了其數(shù)學模型和參數(shù)設(shè)計的正確性,。最后，設(shè)計了一臺輸入電壓范圍為175 V～265 V,，最大輸出功率為1.5 kW的充電機,，實驗結(jié)果表明其前級變換器功率因數(shù)達到0.996，輸入電流THD為4%，整機效率可達94%,。
中圖分類號： TM7
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174543
中文引用格式： 林玉婷,，曹太強，陳雨楓. LLC諧振變換器在兩級充電機的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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,，F(xiàn)HA) 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

    車載充電機拓撲通常由前級PFC和后級DC-DC組成[1-3],，以實現(xiàn)高功率因數(shù)、低諧波的蓄電池充電[4-5],。隨著充電機功率密度要求的提高,，單級Boost PFC電路很難滿足需求。本文采用兩級交錯并聯(lián)Boost PFC作為充電機的前級,，提高變換器功率密度,、充電效率的同時，還降低了輸入電流諧波及開關(guān)損耗[6-8],。

    本文分析了兩級交錯并聯(lián)Boost PFC電路平均電流控制原理和后級半橋LLC諧振變換器電路脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation,，PFM)下的工作原理，并采用FHA分析法[9]建立了LLC諧振電路的穩(wěn)態(tài)模型,，研究了諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓增益及輸入阻抗與開關(guān)頻率的關(guān)系,，為不同工作模式下LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計提供了理論指導。

1 兩級交錯并聯(lián)Boost PFC變換器

    兩級交錯并聯(lián)Boost PFC變換器拓撲如圖1所示,，由兩個參數(shù)相同的Boost PFC變換器單元并聯(lián)而成,，電路中兩個功率開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號相位相差180°[10]。 

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    圖2所示,，兩級交錯并聯(lián)Boost PFC變換器與單級拓撲相比,，輸入電流紋波在整個占空比范圍內(nèi)均得到改善。當占空比為50％時,，紋波電流接近零,。

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2 半橋LLC諧振變換器

    半橋LLC諧振變換器拓撲如圖3所示,。其采用PFM控制模式，即開關(guān)以互補導通的方式控制,，通過改變開關(guān)頻率調(diào)節(jié)輸出電壓和電流,。

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2.1 半橋LLC諧振變換器工作原理

    串聯(lián)諧振回路中包括Lr、Lm,、Cr 3個諧振元件,，構(gòu)成了兩個不同的諧振頻率。當整流側(cè)有電流流過時,，變壓器的勵磁電感Lm被輸出電壓鉗位不參加諧振,，諧振頻率只由Lr和Cr決定，故為：

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    根據(jù)變壓器輸入電壓和負載的不同,，工作分為模式I(fm<f<fr),，II(f=fr)和III(f>fr)，模式II和III包含在I中,，所以本文僅對模式I作介紹,，模式I波形如圖4所示。

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    3種模式下變換器原邊開關(guān)管都能實現(xiàn)ZVS,。模式I和II能實現(xiàn)副邊二極管的ZCS,，但模式III副邊二極管有反向恢復(fù)損耗，所以應(yīng)盡量使其工作在fr附近,。

2.2 基于FHA穩(wěn)態(tài)建模與分析

    不同于傳統(tǒng)的PWM變換器利用平均值傳輸能量,，LLC諧振變換器利用電壓電流基波分量傳輸能量，不考慮其他諧波,，本文采用FHA[9]對半橋 LLC進行建模,，如圖5所示。

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    諧振電路兩端口模型可以由其傳遞函數(shù)H(s)表示：

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    為了方便分析,，用以下參數(shù)定義：

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    如圖6(a)所示,，當fn=1時，增益曲線上出現(xiàn)一獨立負荷點,，該點時直流增益不受Q與k的影響恒為1,，輸出特性最佳。當f<1時,，Q越大直流增益越小,，存在一個極大值點，該點隨著Q的增加逐漸右移,，直到與f=1重合,。

    圖6(b)為電壓增益對fn的不同k值曲線，由圖知諧振頻率fr(fn=1)處呈現(xiàn)與負載無關(guān)的工作點，峰值點k值越大,，峰值電壓增益越大,，開關(guān)頻率上的電壓增益更敏感，使控制和調(diào)節(jié)更容易,；但k值不能太大,，否則勵磁電感過小，會造成過大的導通和關(guān)斷損耗,。

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    由圖5所示的統(tǒng)一FHA模型可得到諧振網(wǎng)絡(luò)歸一化輸入阻抗表達式：

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    由式(7)可得歸一化輸入阻抗幅值表達式：

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    當fn>fn.cross時,，|Zn(fn，K,，Q)|隨著Q的減小而減小,，特征阻抗的減小使得輸出電流變小,；當fn<fn.cross時,，|Zn(fn,，K,，Q)|隨著Q的減小而增大，特征阻抗的減小使得輸出電流變小,。因此,，諧振變換器的工作頻率要盡量高于fn.cross。此外,，當諧振頻率fn工作在（fn.cross,，1）區(qū)間時才是諧振變換器的理想工作頻率范圍。因此需要找到（fn.cross,，1）范圍內(nèi)感性和容性區(qū)域的分界線,。

    設(shè)Zn(fn，K,，Q)的虛部為零,，可得到LLC諧振變換器的容性和感性區(qū)域的分界線。分析結(jié)果如下：

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    由式（13）可以描繪出Mmax(λ,，Q)的軌跡,，就可得到感性和容性區(qū)域的分界線，如圖8所示,。

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    如圖8所示每個給定的Q值,，增益曲線的峰值都落在容性區(qū)域。虛線為輸入阻抗的分界線,，當工作于容性區(qū)時開關(guān)管可實現(xiàn)ZCS,，而工作于感性區(qū)時可實現(xiàn)ZVS。

    此外，通過式（13）可以求解fn,，從而得到允許最大增益落在分界線上的最小歸一化頻率fn.min：

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    此外,，把式(14)代入式(11)，可得允許最大增益落在分界線上的最大品質(zhì)因數(shù)：

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    由式(14),、式(16)可確定諧振變換器的頻率區(qū)間,。

3 實驗結(jié)果分析

    為了驗證理論分析的正確性，根據(jù)上文的分析和仿真設(shè)計了一臺1.5 kW實驗樣機,。實驗結(jié)果如下,。

    圖9表明輸入側(cè)實現(xiàn)單位功率因數(shù)且THD值低于4%；次級LLC諧振變換器的工作頻率約為96 kHz,，接近諧振頻率,；純阻性負載時輸出電流紋波為1.8 A。圖10為充電機輸出效率曲線,，最高輸出效率可達94%,。

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4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一款交錯并聯(lián)Boost PFC電路作為前級，半橋LLC諧振電路作為后級的兩級式拓撲結(jié)構(gòu)的車載充電機,。試驗結(jié)果表明：在175~265 V的交流電壓輸入范圍內(nèi)充電機能夠保持高效穩(wěn)定地工作,，整機運行功率因數(shù)可達至0.99，輸入電流諧波含量能夠控制在4%以下,。額定負載時,，后級LLC諧振變換器的開關(guān)頻率可控制在諧振頻率附近，實現(xiàn)了軟開關(guān),，確保功率開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài),，降低了開關(guān)管損耗和溫升，輸出整流二極管能實現(xiàn)ZCS,，降低了反向恢復(fù)損耗,。在阻性、容性負載條件下均具有較高的效率,，最高可達94%,。

參考文獻

[1] WANG H,DUSMEZ S，KHALIGH A.Design and analysis of a full-bridge LLC-based PEV charger optimized for wide battery voltage range[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,，2014,，63(4)：1603-1613.

[2] HAGHBIN S，LUNDMARK S,，ALAKULA M,，et al.An isolated high-power integrated charger in electrified-vehicle applications[J].IEEE Trans.Veh.Technol，2011,，60(9)：4115-4126.

[3] WANG H,，DUSMEZ S,，KHALIGH A.Design for a level-2 on-board PEV charger based on interleaved boost PFC and LLC resonant converters[C].2013 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo(ITEC)，2013：1-8.

[4] 周馳.基于LLC諧振電路帶APFC的兩級變換器的研究[D].重慶：重慶大學,，2015.

[5] 閆大鵬.1.5 kW半橋LLC諧振DC/DC變換器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,，2015.

[6] MUSAVI F，CRACIUN M,，GAUTAM D S,，et al.An LLC resonant DC-DC converter for wide output voltage range battery charging applications[J].IEEE Trans.Power Electron，2013,，28(12)：5437-5445.

[7] GAUTAM D S,，MUSAVI F，EDINGTON M,，et al.An automotive onboard 3.3 kW battery charger for PHEV application[J].IEEE Trans on Veh Technol,，2012，61(8)：3466-3474.

[8] KHALIGH A,，DUSMEZ S.Comprehensive topological analysis of conductive and inductive charging solutions for plug-in electric vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,，2012，61(8)：3475-3489.

[9] DESIMONE S,，ADRAGNA C,，SPINI C，et al.Design-oriented state analysis of LLC resonant converters based on FHA[C].IEEE power Electronics,，Electrocal Drives,，Automation and Motion，2006：200-207.

[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,，曹太強,，陳雨楓

(西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都610039)

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