用于OBC的DC-DC级的LLC谐振转换器拓扑

本文介绍了文献中描述的流行的 LLC 和 LLC 派生双向转换器拓扑。

为车载充电器 (OBC) 选择 DC-DC 转换器方案基于效率、性能和功率密度目标，因此首选谐振转换器。本文介绍了文献中描述的流行的 LLC 和 LLC 派生双向转换器拓扑。

介绍

如图 1.1 所示，典型的 OBC 架构具有一个双向前端 ac-dc 级，后跟一个隔离的双向 dc-dc 转换器，为高压电池充电。设计人员必须满足整个电网和电池电压范围的性能、效率和功率密度目标。对于 ac-dc 级，图腾柱 PFC 是首选解决方案。充电算法在 DC-DC 阶段实现。dc-dc 以高频切换，需要在两个方向上都具有软切换的拓扑结构，即使使用宽带隙设备也是如此。

图 1.1：典型的 OBC 动力系统

相移全桥 [1] 是一种合适的拓扑结构，但存在诸如有限的零电压开关 (ZVS) 范围、获得 ZVS 的占空比、次级设备的缓冲器等问题。双有源桥也与 ZVS 一起运行，但具有最佳性能固定输出的性能。对于高功率，谐振转换器是首选，因为它们在所有设备中都提供软开关，即使在高频下也具有低 EMI。

元件数量少、利用变压器漏电感进行谐振以及没有缓冲器/钳位电路是其他附加优势。基于 FET 的整流器使转换器双向。本文介绍了用于 DC-DC 的 LLC 和 LLC 派生拓扑，并介绍了这些转换器的 OBC 设计挑战。

用于 Bi-OBC 的谐振 DC-DC 转换器

典型 6.6kW OBC 的 DC-DC 级规格如表 2.1 所示。该设计针对最高功率，电流和热应力是针对充电模式确定的。请注意，两种模式的效率要求都很严格。

范围	价值	评论
电池充电模块
输入电压	400V	在双线 频率下具有 40Vpk-pk 纹波
输出电压标称	330V
输出电压范围	200V - 450V
输出功率	6.6kW
输出电流最大值	20A	330V及以下
放电方式
输入电压标称	330V
输入电压范围	200V – 450V
输出电压	400V	输入到并网逆变器级
最大输出功率	3.3kW
通用规格
效率目标	>98%	整体效率高达 96%
隔离	3 kV

表 2.1：OBC dc-dc 级规格

LLC谐振转换器

LLC 功率级如图 2.1 所示。该电路有两个由隔离变压器隔开的全桥电路。变压器变比是针对标称工作电压设置的。谐振回路增益是谐振元件（Lm、Lr 和 Cr）、负载和开关频率的函数。

图 2.1：LLC 转换器功率级

LLC 转换器设计程序不是直接的，最终确定最佳谐振回路组件值需要一些迭代。设计步骤总结如下

1. 根据标称工作输入和输出电压（400V 输入和 330V 输出）设置变压器匝数比 (N)

2. 根据表 2.1 中的转换器参数确定最大和最小增益要求。最大增益通过最大输出电压和最小输入（考虑 PFC 输出中的线路频率纹波含量的最小电压）进行评估。同样，输入电压的峰值将用于最小增益计算

3. 计算开关频率范围。这将是一个迭代过程，需要调整油箱参数 Q（品质因数）和 M（Lm 与 Lr 的比率）

设置共振频率值。优选高频以减小变压器的尺寸。此外，输出滤波电容和谐振电容值随频率降低。然而，在决定频率时必须监控变压器和 FET 的关断损耗。

确定谐振时的最大 Lm 值，该值需要对 FET 的 Coss 放电并帮助初级器件的 ZVS 导通

为 M 设置一个值作为开始。M 值高表示高磁化电感和低循环能量，但可实现的增益有限。对于较低的 M 值，可以在较窄的频率范围内实现高增益。产生的磁化电感较小，相关的循环电流和损耗较高。6 到 10 之间的值足以从 [6] 开始。

根据满载时的最大增益要求选择 Q。如果增益不够，则必须减小M值。增益范围应在整个负载范围或 Q 范围内实现。

相关增益的频率范围应该很小，并且最小频率对磁体尺寸和损耗的影响应该很小。重申 Q 和 M 的设计以满足增益和频率范围标准

4.根据M和Q的值，最终确定Lr、Cr和Lm的值。

LLC 转换器具有双向潮流能力。但是在放电模式下，磁化电感直接出现在电池两端，然后是 Lr 和 Cr，从而产生串联谐振转换器类型的配置。[4]中LLC在充放电曲线中的增益曲线如图2.2所示。放电曲线显示转换器没有电压增益，将导致输出不稳定。在 [2] 中，LLC 在放电模式下以谐振频率切换，并且在 LLC 调节 PFC 级的输入后附加升压转换器级。在电池充电模式下，升压级被继电器旁路。然而，这种方法增加了组件成本和系统尺寸。

图 2.2：LLC 充放电模式增益曲线

CLLLC 谐振转换器

具有 5 个谐振元件的双向 CLLLC 谐振转换器如图 2.3 所示。谐振回路是对称的，转换器在充电和放电模式下具有近似相似的增益曲线。

图 2.3：CLLLC 转换器功率级

CLLLC 功率级的设计方法类似于 LLC 转换器。次级谐振元件都称为初级，等效电路产生传递函数。为了简化设计步骤，假设反射 Lrs 与 Lrp 相同，并设置反射 Crs 与 Crp 的比率。调整等效 M 和 Q 值以满足两种模式下的增益和频率范围标准。在确定M值时，保证增益曲线单调递减，没有多个峰值，从而在整个工作频率范围内实现线性控制。

CLLC 谐振转换器源自CLLLC，其中消除了次级侧谐振电感。然而，需要使用 Crs 来调整放电模式的增益曲线。如果还要利用变压器漏感，则等效配置变为 CLLLC 类型。[3] 中介绍了 3.5kW OBC 的 CLLLC 设计示例和实验结果。

具有可变直流链路电压的 CLLLC

输出调节的频率变化使转换器偏离谐振，转换器优化的点。为了将频率摆幅保持在最低限度，直流总线电压会根据所需的输出电压而变化。调整变压器变比，使最小输出电压对应于 400V 直流母线，然后直流链路根据设定的输出参考线性变化。[4] 中的设计呈现的增益曲线如图 2.4 所示，频率范围显着降低。

图 2.4：固定直流母线和可变直流母线 CLLLC 的增益曲线

结论

谐振转换器无疑是 OBC dc-dc 转换的首选。借助现代宽带隙器件，设计人员可以轻松实现高频下的高效率。文章中描述了基于 LLC 转换器的流行谐振转换器配置。介绍了文献中适合双向 OBC 规范的设计方法。
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