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用于OBC的DC-DC级的LLC谐振转换器拓扑

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SX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

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SX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SX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。

 

典型的 OBC 动力系统

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ZJ性能固定输出的性能。对于高功率,谐振转换器是SX,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ZG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ZD值20A330V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

ZD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

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。

LLC转换器功率级

 

图 2.1:LLC 转换器功率级

LLC 转换器设计程序不是直接的,Z终确定ZJ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ZD和Z小增益要求。ZD增益通过ZD输出电压和Z小输入(考虑 PFC 输出中的线路频率纹波含量的Z小电压)进行评估。同样,输入电压的峰值将用于Z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ZD 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ZD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Z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,Z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。

LLC充放电模式增益曲线

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。

CLLLC 转换器功率级

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Z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Z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。

固定直流母线和可变直流母线 CLLLC 的增益曲线

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SX。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。