模塊化電瓶船調(diào)壓器諧振電路設(shè)計(jì)

張 濤，賈相武，付 杰

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311112）

0 引 言

電瓶船一般選擇鉛酸電池或鋰電池作為動(dòng)力電池，電池充電一般采用船載充電器或外用充電器。船用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般分為直接驅(qū)動(dòng)、調(diào)壓驅(qū)動(dòng)以及變頻驅(qū)動(dòng)3種，在這3種驅(qū)動(dòng)形式中，調(diào)壓器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性較強(qiáng)，被廣泛采用，但其存在功率高、電流大且效率低的缺點(diǎn)，如何提高電瓶船調(diào)壓器的電氣性能成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-3]。電瓶船調(diào)壓器效率提升的關(guān)鍵在于降低開(kāi)關(guān)損耗，因此軟開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。軟開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用十分廣泛，在PC電源、電力拖動(dòng)以及模塊電源等領(lǐng)域被大量采用。同時(shí)隨著數(shù)字控制的興起，軟開(kāi)關(guān)控制因其靈活性和智能性特點(diǎn)得到快速推廣。

電瓶船使用大功率調(diào)壓器時(shí)可以采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將功率大、效率低的調(diào)壓器轉(zhuǎn)化為高效率的小模塊，使電瓶船調(diào)壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝靈活以及效率高的特點(diǎn)。

1 模塊化電瓶船調(diào)壓器工作原理

傳統(tǒng)電瓶船驅(qū)動(dòng)調(diào)壓器多采用硬開(kāi)關(guān)降壓電路，大部分采用Buck降壓拓?fù)洌_(kāi)關(guān)管開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)，電壓和電流存在較大的重疊區(qū)，開(kāi)關(guān)損耗是主要損耗。電瓶船調(diào)壓器通常存在功率大和電流大的情況，為了降低調(diào)壓器體積，需要增加工作頻率，但開(kāi)關(guān)管損耗也隨著增加，這就限制了電瓶船調(diào)壓器的最高工作頻率，而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)成為一個(gè)有利的選擇。本文研究的電瓶船調(diào)壓器采用LLC諧振電路實(shí)現(xiàn)DC-DC變換，電路的軟開(kāi)關(guān)控制通過(guò)諧振拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，輸入輸出采用變壓器隔離。如圖1所示，在諧振電路串聯(lián)電感的同時(shí)，變壓器原邊也并聯(lián)有電感，通常用變壓器勵(lì)磁電感替代，對(duì)比傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器（Series Resonant Converter，SRC）架構(gòu)，只是相當(dāng)于增加了一個(gè)與負(fù)載并聯(lián)的電感[4-7]。

圖1 LLC諧振變換器的結(jié)構(gòu)

其中，Vs為輸入電壓，Cr為諧振電容，Lr為諧振電感，Lm為勵(lì)磁電感，Np為變壓器原邊繞組，NS為變壓器副邊繞組。

對(duì)于LLC諧振變換器，通常分析高于諧振頻率fr的工作過(guò)程。圖2描述了調(diào)壓器開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率時(shí)工作過(guò)程的波形。各電量的參考方向參見(jiàn)圖1，后面的分析以此為參考方向。

圖2 調(diào)壓器開(kāi)關(guān)高于諧振頻率時(shí)的工作波形

變換器開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率，工作電流周期大于開(kāi)關(guān)周期，并且在相位上稍微滯后。t0前Q2導(dǎo)通工作，t=t0時(shí)，Q2受控關(guān)斷，因?yàn)橹C振電感的作用，電流不能突變，原邊電流通過(guò)Q1的寄生二極管DS1續(xù)流（忽略了對(duì)MOSFET的輸出電容充放電的時(shí)間）。在t=t1時(shí)刻，原邊的電流還處于負(fù)值，但開(kāi)始變大向正向轉(zhuǎn)變，諧振電流由負(fù)變正，副邊電流通過(guò)D1進(jìn)行續(xù)流，二極管D2處于關(guān)斷狀態(tài)，原邊電壓保持在nVO，勵(lì)磁電感兩端電壓被副邊電壓鉗位。原邊諧振電流保持為負(fù)值，并且持續(xù)續(xù)流，諧振電流通過(guò)Q1的寄生二極管流回電源端[8-10]。在t=t2時(shí)，LC諧振電路的電流變?yōu)榱悖谥C振電流降到零前，開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效，這時(shí)Q1兩端電壓為零，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通（ZVS）。同理，在t=t4時(shí)，Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在施加之前，開(kāi)關(guān)管Q2兩端電壓已經(jīng)變?yōu)榱悖梢詫?shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通（ZVS），前后半個(gè)周期的工作波形是對(duì)稱的，后半個(gè)周期（t4～t8）的工作過(guò)程可作同樣的分析[10,11]。

2 諧振變換器調(diào)壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

電瓶船電機(jī)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程實(shí)際上是電壓變換過(guò)程，啟動(dòng)開(kāi)始為小電壓軟啟動(dòng)過(guò)程，在啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流逐步增加，驅(qū)動(dòng)電壓也逐步上升，要求直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有快速調(diào)壓能力。模塊化電瓶船驅(qū)動(dòng)模塊采用半橋式諧振拓?fù)洌ㄟ^(guò)變換器調(diào)整電壓的變比，以實(shí)現(xiàn)寬范圍的電壓輸出。模塊化的諧振調(diào)壓器可以降低每個(gè)模塊的容量，開(kāi)關(guān)器件選擇面變好，選擇合適的器件有利于開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗的降低，并且可以優(yōu)化成本。在設(shè)計(jì)諧振電路的各項(xiàng)參數(shù)過(guò)程中，要依據(jù)調(diào)壓器的工作條件和要求，考慮輸入電壓和輸出電壓范圍，滿足輸出功率和動(dòng)態(tài)調(diào)整率等條件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。對(duì)于電瓶船調(diào)壓電源的設(shè)計(jì)，主要分析調(diào)壓器輸入輸出電壓的范圍、最大輸出功率以及動(dòng)態(tài)調(diào)整性能等關(guān)鍵指標(biāo)。

2.1 磁性元件設(shè)計(jì)

依據(jù)調(diào)壓器的輸入輸出電壓范圍和增益曲線設(shè)定變壓器的匝數(shù)比，模塊化調(diào)壓器的輸入電壓由電瓶船蓄電池決定，是電瓶船的直流母線電壓，會(huì)隨電池電量變小而變低。輸出電壓是電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，由電機(jī)參數(shù)和工作過(guò)程確定。在LLC諧振半橋調(diào)壓器中，變換器輸入輸出電壓關(guān)系主要由變換器頻率和變壓器匝比確定，系統(tǒng)的軟開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)主要和頻率相關(guān)。圖3描述了輸出增益、品質(zhì)因數(shù)Q以及開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系，M函數(shù)的中間變量為Q，可以看出，品質(zhì)因數(shù)Q影響增益曲線的形狀，在最大增益點(diǎn)兩側(cè)頻率與增益變化相反，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率，通常選擇負(fù)載臨界點(diǎn)小于諧振頻率，這樣增益和頻率在感性工作區(qū)具有近似線性關(guān)系，便于控制和參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖3 輸出增益、品質(zhì)因數(shù)Q以及開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系

諧振半橋電路的工作開(kāi)關(guān)頻率接近諧振頻率時(shí)，軟開(kāi)關(guān)環(huán)境最好，根據(jù)電瓶船驅(qū)動(dòng)的工作電壓特性，選擇電瓶船額定工作狀態(tài)，確定變換器的額定輸出輸入電壓。在LLC調(diào)壓器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般設(shè)計(jì)調(diào)壓器的額定工作點(diǎn)為諧振頻率點(diǎn)，調(diào)壓器將獲得較好的工作效率。

變換器的增益（M）主要取決于變壓器的匝比(n)和諧振頻率（fr），設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)額定增益（Mnom）為1，可以得到：

式中，V2為諧振網(wǎng)絡(luò)等效輸出電壓（V2=nVo）；V1nom為諧振網(wǎng)絡(luò)等效額定輸入電壓（V1nom=V1nom/2）；Vsnom為額定輸入電壓；Vo為輸出電壓，解得：

2.2 諧振參數(shù)設(shè)計(jì)

諧振參數(shù)主要取決于諧振電容、勵(lì)磁電感以及諧振電感，其中勵(lì)磁電感與諧振電感的比值k是關(guān)鍵參數(shù)。在低于諧振頻率fr時(shí)會(huì)出現(xiàn)增益大于1的區(qū)間，這個(gè)階段k值起到?jīng)Q定作用，合適的k值有效增加SRC實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的工作區(qū)間，一方面使調(diào)壓器模塊可以滿足高輸入電壓的要求，另一方面優(yōu)化了較輕負(fù)載時(shí)的工作頻率，降低較輕負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率，能夠較好實(shí)現(xiàn)在輕載階段的動(dòng)態(tài)調(diào)壓，電壓控制相對(duì)容易。軟開(kāi)關(guān)通過(guò)勵(lì)磁電感上的電流實(shí)現(xiàn)，使調(diào)壓變換器在較輕負(fù)載時(shí)也能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)中可以先確定最低增益（Mmin）：

式中，Vsmax為最大輸入電壓。滿足電瓶船驅(qū)動(dòng)器在最高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的輸出電壓，可以得到k值的限制條件：

式中，fmax為模塊最高開(kāi)關(guān)頻率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)電瓶船工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)?zāi)K，采用磷酸鐵鋰電瓶船電池規(guī)格，電池容量為100 Ah，輸入電壓為280～380 V DC，輸出電壓為300～400 V DC，實(shí)驗(yàn)?zāi)K輸出功率設(shè)計(jì)為3 kW，開(kāi)關(guān)管選用結(jié)電容較小的SPW47N60C3，驅(qū)動(dòng)電阻選擇10 Ω。為加快關(guān)斷速度，反向并聯(lián)二極管，模塊工作頻率集中在80～100 kHz，最高頻率為500 kHz，通常在開(kāi)機(jī)過(guò)程出現(xiàn)。根據(jù)模塊化調(diào)壓器的額定工作狀態(tài)確定基本參數(shù)，在這個(gè)基礎(chǔ)上再優(yōu)化諧振參數(shù)提高效率。電瓶船調(diào)壓器的額定輸出電壓為360 V，將350～360 V DC輸出時(shí)變換器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)為諧振頻率fr，以獲得較好的工作效率。

各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下，根據(jù)輸入輸出確定變壓器原副邊的匝比：

式中，Vfd為二極管的正向?qū)▔航担ǔ? V。變換器的諧振頻率fr=100 kHz，最低工作頻率fsmin=50 kHz，最高工作頻率fsmax=500 kHz。

考慮額定開(kāi)關(guān)頻率，應(yīng)用AP方法估算，變壓器的磁芯材料選擇PC44，骨架采用EE42/21/20。考慮到輸出電壓范圍，變壓器樣機(jī)匝比設(shè)定為：

根據(jù)調(diào)壓器空載穩(wěn)定條件、額定輸出電壓增益以及開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)條件等，選取k=1.6，品質(zhì)因數(shù)Q0=1.632。

圖4描述了MOS管的工作電壓和電流波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位是μs，為便于觀測(cè)調(diào)整了各個(gè)波形的零線，具體見(jiàn)圖標(biāo)，可以得出在MOS管開(kāi)通前，Vds（圖中3號(hào)線）下降到零，輸出整流二極管電流（圖中2號(hào)線）和原邊諧振電流（圖中1號(hào)線）也下降到零附近，開(kāi)關(guān)MOS管關(guān)斷時(shí)，變換器MOS管也可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的形式是零電壓開(kāi)通和零電流關(guān)斷(ZVS和ZCS)。

圖4 調(diào)壓器工作時(shí)MOS管驅(qū)動(dòng)和電壓、電流波形

電瓶船的驅(qū)動(dòng)調(diào)壓要求直流輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)，根據(jù)額定輸入360 V，驅(qū)動(dòng)輸出電壓360 V的條件為諧振工作點(diǎn)，得到模塊效率最高點(diǎn)出現(xiàn)在360 V的額定條件，輸出功率變化時(shí)的效率曲線如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)K的效率曲線

4 結(jié) 論

本文根據(jù)電瓶船模塊化驅(qū)動(dòng)電源的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)模塊化的電瓶船諧振調(diào)壓器，分析了諧振變換調(diào)壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)和設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹諧振變換調(diào)壓器的變壓器等磁性元件參數(shù)的計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證模塊化電瓶船諧振調(diào)壓器的優(yōu)點(diǎn)，并獲得高效率的輸出。