直流充電樁半橋LLC諧振電路設(shè)計(jì)

張銀娟 王永科

摘要：針對(duì)現(xiàn)行充電樁存在充電時(shí)間長(zhǎng)、充電樁體積大以及開(kāi)關(guān)損耗大等問(wèn)題，提出一種基于軟開(kāi)關(guān)的半橋LLC諧振電路，作為直流充電樁DC-DC變換器的主電路，為車載電池充電。根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及理論分析，在Matlab/Simulink中搭建了DC-DC變換器的主電路仿真模型，通過(guò)分析輸出的電壓和電流波形可知，設(shè)計(jì)的變換器電路能夠輸出穩(wěn)定且優(yōu)質(zhì)的電能。結(jié)果表明設(shè)計(jì)的半橋LLC諧振電路，可以大幅度降低直流充電樁DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)損耗，可減小充電樁體積，滿足電動(dòng)汽車充電樁在高頻率應(yīng)用場(chǎng)合下開(kāi)關(guān)損耗小且充電效率高的要求，可在電動(dòng)汽車變換器中推廣應(yīng)用。

Abstract： Aiming at the problems of long charging time， large volume of the charging pile， and large switching loss in the current charging pile， a soft-switching half-bridge LLC resonant circuit is proposed as the main circuit of the DC-DC converter of the DC charging pile to charge the vehicle battery. . According to the circuit topology and theoretical analysis， the main circuit simulation model of the DC-DC converter is built in Matlab/Simulink. By analyzing the output voltage and current waveforms， it can be known that the designed converter circuit can output stable and high-quality electrical energy. The results show that the designed half-bridge LLC resonant circuit can greatly reduce the switching loss of the DC-DC converter of the DC charging pile， reduce the volume of the charging pile， and meet the low switching loss and charging efficiency of the electric vehicle charging pile in high-frequency applications. High requirements can be popularized and applied in electric vehicle converters.

關(guān)鍵詞：DC-DC變換器;直流充電樁;諧振電路;電動(dòng)汽車

Key words： DC-DC converter;DC charging pile;resonance circuit;electric vehicle

中圖分類號(hào)：TM46? ? ? ?   ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0207-02

0? 引言

當(dāng)前全球各國(guó)均面臨著環(huán)境污染和能源短缺的現(xiàn)狀，發(fā)展電動(dòng)汽車行業(yè)是推進(jìn)節(jié)能減排的重點(diǎn)[1]。近年來(lái)，全球電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展非?？?，電動(dòng)汽車的充電問(wèn)題是限制其發(fā)展的主要因素。在這樣的大背景大趨勢(shì)下，各國(guó)均非常重視建設(shè)電動(dòng)汽車充電設(shè)備。電動(dòng)汽車充電樁建設(shè)是我國(guó)“新基建”的重要領(lǐng)域之一。電動(dòng)汽車充電樁是為電動(dòng)汽車提供電力保障的充電設(shè)備，包括交流充電樁和直流充電樁[2-4]。交流充電樁為電動(dòng)汽車充電時(shí)需要連接車載充電機(jī)，而且充滿電所需時(shí)間達(dá)到數(shù)個(gè)小時(shí)以上，這就造成了電動(dòng)汽車在使用中不夠方便快捷[5]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出采用直流充電樁來(lái)彌補(bǔ)交流充電裝置的不足。直流充電樁可為電動(dòng)汽車進(jìn)行大功率的充電，能直接和電動(dòng)汽車的直流充電口對(duì)接進(jìn)行充電，不需要再連接其他設(shè)備，可以更加高效和方便地為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，所以直流充電樁的發(fā)展對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。電動(dòng)汽車直流充電樁在充電過(guò)程中，首先利用三相 PFC 電路將電網(wǎng)中的交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，輸出約 800V 的直流電壓，然后經(jīng)過(guò)DC-DC 變換電路對(duì)電動(dòng)汽車車載電池進(jìn)行沖電。本文對(duì)直流充電樁的后級(jí) DC-DC 變換器電路進(jìn)行研究。

1? 電動(dòng)汽車充電樁主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC/DC變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括單端正激型電路、推挽式電路、半橋式電路以及全橋式電路等[6]。分析不同電路類型的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合電動(dòng)汽車直流充電樁需要充電更快速、更便捷等方面的實(shí)際需求，提出采用半橋式LLC諧振電路作為電動(dòng)汽車直流充電樁主電路系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的直流充電樁電路主要由開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)、整流濾波網(wǎng)絡(luò)組成。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)采用半橋三電平逆變電路。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4選用MOSFET，其寄生二極管為D1、D2、D3、D4，寄生電容為C1、C2、C3、C4。MOSFET具有快速的開(kāi)關(guān)速度、很高的工作頻率、驅(qū)動(dòng)電路不繁雜等優(yōu)點(diǎn)，可滿足充電樁變換器日益高頻化的需求[7]。由于電動(dòng)汽車直流充電樁后級(jí)DC-DC 變換器電路的輸入電壓達(dá)到了 800V，而由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的限制，MOSFET的耐壓難以滿足高壓輸入的要求，故采用四個(gè)MOSFET串聯(lián)。為提供一個(gè)中點(diǎn)電位，需要將電容 C5和 C6串聯(lián)，并與輸入電壓源 Ui并聯(lián)。另外，由于開(kāi)關(guān)管寄生參數(shù)的離散性，故為了鉗位開(kāi)關(guān)管的電壓為 Ui/2，需在電路中加入二極管 D5和 D6、飛跨電容 C7和C8。

圖1中的諧振網(wǎng)絡(luò)由諧振電容 Cr，諧振電感 Lr和勵(lì)磁電感 Lm組成。變壓器 TX為理想變壓器，其勵(lì)磁電感用Lm表示。當(dāng)諧振電流 icr與勵(lì)磁電流 im不同時(shí)，輸出整流二極管導(dǎo)通，勵(lì)磁電感 Lm被變壓器鉗位，這時(shí)諧振電容 Cr和諧振電感 Lr參與諧振。當(dāng)諧振電流 icr與勵(lì)磁電流 im相同時(shí)，輸出整流二極管無(wú)電流，勵(lì)磁電感未被鉗位，這時(shí)諧振電容Cr、諧振電感Lr和勵(lì)磁電感Lm均參與諧振。

圖1中的整流濾波網(wǎng)絡(luò)采用全橋方式，由四個(gè)整流功率二極管D7、D8、D9、D10組成整流濾波網(wǎng)絡(luò)，Co是輸出濾波電容，Ro是負(fù)載電阻。全橋整流電路中，只有一個(gè)繞組，不存在繞組間的匹配問(wèn)題。另外，整流電路一共有四個(gè)二極管，根據(jù)分壓原理，每個(gè)二極管承受的反向電壓為輸出電壓的二分之一。因此該整流電路適用于高輸出電壓的直流充電樁工作環(huán)境。

設(shè)計(jì)的半橋LLC諧振電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出交流電壓的幅值只有輸入電壓的二分之一，直流側(cè)的電壓脈動(dòng)小，電源側(cè)電流接近正弦波，功率因數(shù)高，適用于高輸入電壓的場(chǎng)合，可滿足直流充電樁的穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)的電壓和電流要求。同時(shí)，當(dāng)電感和電容滿足一定的諧振條件，可出現(xiàn)諧振現(xiàn)象?；诖?，設(shè)計(jì)諧振電路時(shí)，將電壓或電流波形錯(cuò)開(kāi)，使電壓或電流值在開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)刻接近零，這樣開(kāi)關(guān)損耗將會(huì)成倍的降低，大大縮短充電時(shí)間，提升電能利用率，能源節(jié)約量明顯增加[8-9]。

2  仿真建模及結(jié)果分析

設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車直流充電樁性能參數(shù)主要有：輸入端直流電壓為800V;輸出端直流電壓為450～750V;輸出電流為20A;額定功率為15kW;變壓器的變比為0.76;電感系數(shù)K為6;品質(zhì)因素Q為0.3。根據(jù)電動(dòng)汽車直流充電樁性能參數(shù)，采用提出的軟開(kāi)關(guān)半橋式LLC諧振電路，在Matlab/Simulink中搭建電路的仿真模型。

變換器電路的輸出電壓和電流穩(wěn)定性是衡量電動(dòng)汽車直流充電樁工作性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車直流充電樁輸出電壓和電流的仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，在剛開(kāi)始的0.02秒之內(nèi)，輸出電壓出現(xiàn)了快速的上升，在0.14秒處電壓開(kāi)始趨向于穩(wěn)定，之后一直維持在750V的電壓左右。此時(shí)，電路已經(jīng)進(jìn)入到正常工作狀態(tài)。從圖2（b）可以看出，輸出電流短時(shí)間內(nèi)快速上升，最后穩(wěn)定在20A。直流充電樁滿足要求的額定功率15kW。

3? 結(jié)論

為克服現(xiàn)行電動(dòng)汽車充電樁存在的體積大、開(kāi)關(guān)損耗大、充電效率低等問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車直流充電樁的半橋LLC諧振變換器電路，主要包括開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)和整流濾波網(wǎng)絡(luò)，并分別闡述了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊的電路結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)。根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及理論分析，在Matlab/Simulink中搭建了半橋LLC諧振變換器的主電路仿真模型，通過(guò)分析輸出的電壓和電流波形可知，提出的變換器電路能夠輸出穩(wěn)定且優(yōu)質(zhì)的電能，滿足電動(dòng)汽車在高頻率應(yīng)用場(chǎng)合下開(kāi)關(guān)損耗小且充電效率高的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王淳.中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策研究[D].西南石油大學(xué)，2015.

[2]白磊成.電動(dòng)汽車直流充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J].科技視界，2016（12）：290-291.

[3]趙瑞.電動(dòng)汽車交流充電樁的設(shè)計(jì)與研究[D].蘇州大學(xué)，2013.

[4]謝偉才.電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J].通訊世界，2016（02）：105-107.

[5]何圣權(quán).基于STM32的電動(dòng)汽車交流充電樁的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[6]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7]李凱，羅續(xù)業(yè)，李彥.基于MOSFET串聯(lián)的半橋LLC諧振電路設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2020（06）：21-25.

[8]和雅.電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)研究[D].南昌大學(xué)，2012.

[9]姚修遠(yuǎn)，金新民，周飛，等.零電壓零電流轉(zhuǎn)換軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中二極管反向恢復(fù)的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015（04）：944-952.