新能源電動(dòng)大巴空調(diào)DC—DC變換器

周雪東

摘 要 隨著環(huán)保問(wèn)題的日益突出，電動(dòng)汽車成為近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種趨勢(shì)。電動(dòng)汽車使用動(dòng)力電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油作為能源，電池的續(xù)航里程成為了限制電動(dòng)汽車發(fā)展的主要瓶頸。因此，在現(xiàn)有電池的技術(shù)條件下提高車載電源的效率成為了一個(gè)可以有效的提高電池續(xù)航里程的辦法。本文研究了一種電動(dòng)大巴DC-DC變換器，對(duì)其中核心LLC諧振部分進(jìn)行了詳細(xì)研究，整個(gè)變換器具有效率高，輸出紋波低，性能可靠等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】DC-DC LLC 諧振

1 引言

以往的大功率DC-DC變換器大都是采用移相全橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路相對(duì)復(fù)雜，滯后臂不容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)等。因此我們采用了比較新穎的半橋LLC諧振電路結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)緊湊，可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)特性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

DC-DC變換器主要由輸入電路、升壓電路、諧振電路、輸出電路、控制電路等組成。

輸入電路：主要由熔斷器、濾波器、繼電器、預(yù)充電電阻、濾波電容等組成，主要功能是對(duì)輸入電源進(jìn)行濾波，對(duì)電源的進(jìn)行預(yù)充電和保護(hù)；

升壓電路：主要由升壓儲(chǔ)能電感、開關(guān)管，二極管組成。主要功能是通過(guò)斬波電路將電池電壓升壓至DC850V；

諧振電路：主要由開關(guān)管、諧振電容、變壓器組成。主要功能是通過(guò)LLC諧振網(wǎng)絡(luò)將能量通過(guò)高頻變壓器傳輸?shù)酱渭?jí)；

輸出電路：主要由同步整理MOS管、電解電容組成。主要功能是對(duì)變壓器輸出電壓進(jìn)行整流和濾波；

控制電路：主要由輔助電源、采樣電路、控制部分組成，對(duì)DC-DC變換器進(jìn)行檢測(cè)控制和故障保護(hù)。

2.2 系統(tǒng)核心描述

諧振電路：LLC諧振電路圖如圖1所示。

工作原理分析：

如圖1所示，兩個(gè)MOS管Q1、Q2組成半橋結(jié)構(gòu)，由一對(duì)50%互補(bǔ)的占空比的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，諧振電容Cs，變壓器T1的漏感Ls和激磁電感Lm一起構(gòu)成LLC諧振網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)t=t1時(shí)，Q2關(guān)斷，諧振電流對(duì)Q1的寄生電容放電，持續(xù)到Q1上的電壓為零，Q1的寄生二極管導(dǎo)通。次級(jí)整流管Q3導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位。因此只有漏感Ls和諧振電容Cs參與諧振。

當(dāng)t=t2時(shí)，Q1在零電壓的情況下導(dǎo)通，變壓器原邊承受正向電壓，Q3繼續(xù)導(dǎo)通，Q2和Q4關(guān)斷，此時(shí)只有漏感Ls和諧振電容Cs參與諧振。

當(dāng)t=t3時(shí)，Q1保持導(dǎo)通，而Q3、Q4處于關(guān)斷狀態(tài)，變壓器T1副邊與電路脫離，此時(shí)激勵(lì)電感Lm、漏感Ls和諧振電容Cs一起參與諧振。因?yàn)長(zhǎng)m遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ls，所以在這個(gè)階段可以認(rèn)為諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)激磁電流和諧振電流都保持不變。

當(dāng)t=t4時(shí)，Q1關(guān)斷，諧振電流對(duì)Q2的寄生電容放電，直到Q2上的電壓為零，Q2的寄生二極管導(dǎo)通。次級(jí)整流管Q4導(dǎo)通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位。因此只有漏感Ls和諧振電容Cs參與諧振。

當(dāng)t=t5時(shí)，Q2在零電壓的情況下導(dǎo)通，變壓器原邊承受正向電壓，Q4繼續(xù)導(dǎo)通，Q1和Q3關(guān)斷，此時(shí)只有漏感Ls和諧振電容Cs參與諧振。

當(dāng)t=t6時(shí)，Q2保持導(dǎo)通，而Q3、Q4處于關(guān)斷狀態(tài)，變壓器T1副邊與電路脫離，此時(shí)激勵(lì)電感Lm、漏感Ls和諧振電容Cs一起參與諧振。因?yàn)長(zhǎng)m遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ls，所以在這個(gè)階段可以認(rèn)為諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)激磁電流和諧振電流都保持不變。

3 硬件控制

LLC諧振控制器選用意法半導(dǎo)體公司的L6599，該控制器是專門針對(duì)LLC串聯(lián)諧振設(shè)計(jì)的，支持保護(hù)全面和高可靠性的電源設(shè)計(jì)。在上一代L6598的基礎(chǔ)上新增多種功能，如直接連接PFC的專用輸出，兩級(jí)過(guò)流保護(hù)OCP，自鎖禁止輸入，輕載突發(fā)模式操作，欠壓保護(hù)輸入等。

該諧振控制器工作在50%互補(bǔ)的占空比下，兩個(gè)信號(hào)之間插入一個(gè)固定的死區(qū)時(shí)間，以確保軟開關(guān)的正常工作，最高支持500KHz，可以高頻，高效工作，電磁干擾輻射小。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)外部可編程振蕩器設(shè)定工作頻率，芯片的非線性軟啟動(dòng)可防止浪涌電流，最大限度抑制輸出電壓過(guò)沖。在輕載或者空載的情況下，芯片還能進(jìn)入突發(fā)模式控制，以減小損耗。

該諧振控制器內(nèi)部集成了內(nèi)部引導(dǎo)同步二極管，給自舉電容充電，實(shí)現(xiàn)上管驅(qū)動(dòng)，典型峰值電流輸出為0.6A，輸入為1.2A。不過(guò)在驅(qū)動(dòng)高壓電流開關(guān)器件時(shí)需要增加專門的驅(qū)動(dòng)電路。

4 軟件控制

為了保證電源工作正常，在硬件的控制基礎(chǔ)上加入了軟件控制，通過(guò)MCU來(lái)控制電源的工作時(shí)序，對(duì)電源的輸入電壓、輸出電壓、電流、環(huán)境溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)使能控制，工作狀態(tài)輸出以及CAN通訊。

5 總結(jié)

該DC-DC變換器采用LLC諧振技術(shù)，開關(guān)管采用國(guó)際先進(jìn)的碳化硅器件，輸出采用同步整流，整機(jī)最高效率大于96%。滿足了電源高效率，小體積，高可靠性的要求。

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