直流充電樁半橋LLC諧振電路設計

張銀娟 王永科

摘要：針對現行充電樁存在充電時間長、充電樁體積大以及開關損耗大等問題，提出一種基于軟開關的半橋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。根據電路拓撲結構及理論分析，在Matlab/Simulink中搭建了DC-DC變換器的主電路仿真模型，通過分析輸出的電壓和電流波形可知，設計的變換器電路能夠輸出穩定且優質的電能。結果表明設計的半橋LLC諧振電路，可以大幅度降低直流充電樁DC-DC變換器的開關損耗，可減小充電樁體積，滿足電動汽車充電樁在高頻率應用場合下開關損耗小且充電效率高的要求，可在電動汽車變換器中推廣應用。

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.

關鍵詞：DC-DC變換器;直流充電樁;諧振電路;電動汽車

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

中圖分類號：TM46? ? ? ?   ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0207-02

0? 引言

當前全球各國均面臨著環境污染和能源短缺的現狀，發展電動汽車行業是推進節能減排的重點[1]。近年來，全球電動汽車行業發展非常快，電動汽車的充電問題是限制其發展的主要因素。在這樣的大背景大趨勢下，各國均非常重視建設電動汽車充電設備。電動汽車充電樁建設是我國“新基建”的重要領域之一。電動汽車充電樁是為電動汽車提供電力保障的充電設備，包括交流充電樁和直流充電樁[2-4]。交流充電樁為電動汽車充電時需要連接車載充電機，而且充滿電所需時間達到數個小時以上，這就造成了電動汽車在使用中不夠方便快捷[5]。針對這個問題，提出采用直流充電樁來彌補交流充電裝置的不足。直流充電樁可為電動汽車進行大功率的充電，能直接和電動汽車的直流充電口對接進行充電，不需要再連接其他設備，可以更加高效和方便地為電動汽車進行充電，所以直流充電樁的發展對電動汽車的發展具有重要的促進作用。電動汽車直流充電樁在充電過程中，首先利用三相 PFC 電路將電網中的交流電能轉換成直流電能，輸出約 800V 的直流電壓，然后經過DC-DC 變換電路對電動汽車車載電池進行沖電。本文對直流充電樁的后級 DC-DC 變換器電路進行研究。

1? 電動汽車充電樁主電路拓撲結構

DC/DC變換器的電路拓撲結構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缺點，結合電動汽車直流充電樁需要充電更快速、更便捷等方面的實際需求，提出采用半橋式LLC諧振電路作為電動汽車直流充電樁主電路系統。設計的直流充電樁電路主要由開關網絡、諧振網絡、整流濾波網絡組成。電路拓撲結構如圖1所示。

圖1中的開關網絡采用半橋三電平逆變電路。開關管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具有快速的開關速度、很高的工作頻率、驅動電路不繁雜等優點，可滿足充電樁變換器日益高頻化的需求[7]。由于電動汽車直流充電樁后級DC-DC 變換器電路的輸入電壓達到了 800V，而由于半導體工藝技術的限制，MOSFET的耐壓難以滿足高壓輸入的要求，故采用四個MOSFET串聯。為提供一個中點電位，需要將電容 C5和 C6串聯，并與輸入電壓源 Ui并聯。另外，由于開關管寄生參數的離散性，故為了鉗位開關管的電壓為 Ui/2，需在電路中加入二極管 D5和 D6、飛跨電容 C7和C8。

圖1中的諧振網絡由諧振電容 Cr，諧振電感 Lr和勵磁電感 Lm組成。變壓器 TX為理想變壓器，其勵磁電感用Lm表示。當諧振電流 icr與勵磁電流 im不同時，輸出整流二極管導通，勵磁電感 Lm被變壓器鉗位，這時諧振電容 Cr和諧振電感 Lr參與諧振。當諧振電流 icr與勵磁電流 im相同時，輸出整流二極管無電流，勵磁電感未被鉗位，這時諧振電容Cr、諧振電感Lr和勵磁電感Lm均參與諧振。

圖1中的整流濾波網絡采用全橋方式，由四個整流功率二極管D7、D8、D9、D10組成整流濾波網絡，Co是輸出濾波電容，Ro是負載電阻。全橋整流電路中，只有一個繞組，不存在繞組間的匹配問題。另外，整流電路一共有四個二極管，根據分壓原理，每個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境。

設計的半橋LLC諧振電路結構簡單，輸出交流電壓的幅值只有輸入電壓的二分之一，直流側的電壓脈動小，電源側電流接近正弦波，功率因數高，適用于高輸入電壓的場合，可滿足直流充電樁的穩定和優質的電壓和電流要求。同時，當電感和電容滿足一定的諧振條件，可出現諧振現象。基于此，設計諧振電路時，將電壓或電流波形錯開，使電壓或電流值在開通、關斷時刻接近零，這樣開關損耗將會成倍的降低，大大縮短充電時間，提升電能利用率，能源節約量明顯增加[8-9]。

2  仿真建模及結果分析

設計的電動汽車直流充電樁性能參數主要有：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K為6;品質因素Q為0.3。根據電動汽車直流充電樁性能參數，采用提出的軟開關半橋式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定性是衡量電動汽車直流充電樁工作性能優劣的重要指標，設計的電動汽車直流充電樁輸出電壓和電流的仿真結果如圖2所示。由圖2（a）可知，在剛開始的0.02秒之內，輸出電壓出現了快速的上升，在0.14秒處電壓開始趨向于穩定，之后一直維持在750V的電壓左右。此時，電路已經進入到正常工作狀態。從圖2（b）可以看出，輸出電流短時間內快速上升，最后穩定在20A。直流充電樁滿足要求的額定功率15kW。

3? 結論

為克服現行電動汽車充電樁存在的體積大、開關損耗大、充電效率低等問題，提出了一種應用于電動汽車直流充電樁的半橋LLC諧振變換器電路，主要包括開關網絡、諧振網絡和整流濾波網絡，并分別闡述了各個網絡模塊的電路結構及優勢。根據電路拓撲結構及理論分析，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定且優質的電能，滿足電動汽車在高頻率應用場合下開關損耗小且充電效率高的要求。

參考文獻：

[1]王淳.中國新能源汽車產業發展政策研究[D].西南石油大學，2015.

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

[3]趙瑞.電動汽車交流充電樁的設計與研究[D].蘇州大學，2013.

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

[5]何圣權.基于STM32的電動汽車交流充電樁的設計與實現[D].浙江工業大學，2013.

[6]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[7]李凱，羅續業，李彥.基于MOSFET串聯的半橋LLC諧振電路設計[J].電力電子技術，2020（06）：21-25.

[8]和雅.電動汽車充電樁設計研究[D].南昌大學，2012.

[9]姚修遠，金新民，周飛，等.零電壓零電流轉換軟開關技術中二極管反向恢復的影響[J].中國電機工程學報，2015（04）：944-952.