目前，電動汽車的研發(fā)和使用已成為全球科研工作者的熱門研究方向。世界上以特斯拉電動汽車為首，電動汽車技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展^[1]。所以針對電動汽車的充電技術(shù)也得到越來越多的關(guān)注^[2]，尤其是大功率充電器的效率問題。

    在電動汽車充電器設(shè)計中，因為充電裝置功率等級較高，開關(guān)頻率大，所以充電器效率已經(jīng)成為設(shè)計者不可忽視的因素。LLC諧振變換器^[3]以其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、開關(guān)損耗小而成為設(shè)計者們提高電源系統(tǒng)效率的優(yōu)先考慮方向。參考文獻[4]提出了基于諧振電流最小的諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。參考文獻[5]介紹了數(shù)字芯片產(chǎn)生PWM波驅(qū)動LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，其通用性強，但編程復雜，成本高。參考文獻[6]設(shè)計了基于UC3846的變頻電路在LLC半橋控制中的成功運用，為LLC電路模擬控制變頻電路設(shè)計提供了思路。

    本文在參考前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于UC3846和ARM9系列數(shù)字控制器的電動汽車充電器應(yīng)用電路，重點討論了LLC諧振半橋的工作原理和基于UC3846的變頻控制方式，并運用數(shù)字控制方式實現(xiàn)寬范圍恒流恒壓輸出以及整機系統(tǒng)智能保護。最后給出了實際系統(tǒng)測試結(jié)果，驗證設(shè)計電路的可行性。

1 半橋LLC工作原理及參數(shù)設(shè)計

1.1 半橋LLC拓撲及工作原理

    LLC諧振兼顧串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的優(yōu)點，能以很小的頻率變化范圍調(diào)節(jié)寬范圍的輸出頻率，在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管ZVS。LLC諧振網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1中V_D1、C_O1和V_D2、C_O2是開關(guān)管S1、S2的體二極管和寄生電容，副邊是全波整流電路。其增益特性主要由C_r、L_r、L_m 3個參數(shù)決定，在一個工作周期中不同階段L_r和（L_r+L_m）分別與C_r發(fā)生諧振，所以該電路有兩個諧振頻率：

    LLC諧振網(wǎng)絡(luò)增益特性分析主要采用FHA法，將流過諧振電感中的電流近視為正弦波，忽略影響較小的高次諧波分量，這樣LLC網(wǎng)絡(luò)增益特性隨負載變化關(guān)系可表示為：

    從圖2中看出，在相同歸一化頻率下，不同負載對應(yīng)不同的增益特性。負載越重，即Q越大，變換器的工作頻率也越大。當f_s與f_r相同(即f_n為1)時，變換器歸一化增益始終為1，與負載無關(guān)。以 f_s為界，f_s左邊是ZCS區(qū)，右邊是ZVS區(qū)。當LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作在ZCS區(qū)時，在開關(guān)瞬間有大量的反向恢復電流流過MOSFET，要充分利用最小工作頻率的限制不讓帶MOSFET的LLC諧振轉(zhuǎn)換器進入ZCS區(qū)。因此，在實際設(shè)計中應(yīng)使變換器工作頻率限制在f_s和f_r之間，并盡量靠近f_r，最低工作頻率f_smin應(yīng)該大于f_s，這樣可以使變換器實現(xiàn)全負載ZVS和保持在較高的效率。

1.2 諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

    對于LLC諧振半橋網(wǎng)絡(luò)，其前級輸入是PFC輸出，由式(1)、式(2)根據(jù)輸入電壓和輸出要求可以確定LLC網(wǎng)絡(luò)增益，并確定工作頻率范圍。從1.1節(jié)的分析可知，LLC諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選取必須保證電路工作在感性區(qū)。由式（3）可得諧振網(wǎng)絡(luò)歸一化阻抗表達式為：           

    為保證諧振網(wǎng)絡(luò)工作在感性區(qū)，即諧振電流滯后于輸入電壓，令式（4）的虛部為零，可以得到容性區(qū)和感性區(qū)的臨界點，此時：

    此外，為了實現(xiàn)半橋開關(guān)管ZVS，必需保證第一個半周期結(jié)束時，諧振電流大于在死區(qū)時間內(nèi)給C_O完全放電所需的最小電流，此處不再盡述。

2 LLC半橋主電路控制設(shè)計

    電動汽車的充電方式主要采用三段式充電法，為了滿足各充電階段的充電電壓、電流變化需求，在本設(shè)計中采用UC3854實現(xiàn)LLC網(wǎng)絡(luò)的變頻控制，利用數(shù)字芯片來控制LLC網(wǎng)絡(luò)輸出不同的充電電壓和電流。

2.1 變頻電路設(shè)計

    由第1節(jié)敘述分析可知，對LLC諧振網(wǎng)絡(luò)采用PFM控制，并且開關(guān)頻率要限制在合適的范圍內(nèi)。本文選擇模擬芯片UC3846實現(xiàn)變頻控制功能。UC3846是TI公司的電流脈寬調(diào)制芯片，雙端輸出正好符合半橋結(jié)構(gòu)兩個開關(guān)管驅(qū)動的要求。其主要優(yōu)點是功能齊全，具有自動前饋補償、強大的帶載響應(yīng)特性、欠壓保護、軟啟動等功能，工作頻率高達500 kHz，完全符合本電源系統(tǒng)的要求。其主控電路設(shè)計如圖3所示。其中，UC3846振蕩寬頻率由R_T、C_T決定:

    通常R_T阻值不變，通過改變振蕩C_T的充電時間來改變輸出的脈沖頻率。圖3中引腳CT和Q1、D3、D5、C5、R11構(gòu)成變頻電路，穩(wěn)壓管D3、D5起到限制頻率范圍的作用。當系統(tǒng)輸出環(huán)路輸出參數(shù)變換時，UC3846芯片輸出驅(qū)動信號發(fā)生變化，驅(qū)動信號累加和AB_SUM死區(qū)寬度改變，電容CT充電時間發(fā)生變化，改變驅(qū)動信號頻率。D5起到抑制尖峰作用，C5累加死區(qū)脈沖。

    本電源系統(tǒng)設(shè)計要求額定輸出電壓80 V時諧振頻率為36 kHz，輸出電壓范圍為60 V～100 V，且開關(guān)頻率范圍限制在30 kHz～48 kHz之間，穩(wěn)壓管D3限制工作頻率。

2.2 雙閉環(huán)控制回路設(shè)計

    因為系統(tǒng)需要輸出電壓、電流的精確控制，所以采用雙閉環(huán)控制。電壓環(huán)路和電流環(huán)路如圖3中所示。其中，電壓外環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的基準值。電流環(huán)路采用“電壓回縮”設(shè)計，即通過調(diào)整電壓參考值，保持輸出電流恒定，滿足恒流要求。具體電路如圖4所示，電壓基準值V_REF首先由ARM9數(shù)字控制器給定V_SET。V_SET即是最終需要的輸出電壓，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后得到恒定的電壓基準值V_RRF，電流基準值也是如此。但V_REF同時受到I_REF影響，在圖4中，當電流給定，I_SET增大時，I_REF同比例增大，運放IC12輸出為負，Q1導通，“電壓回縮”電路工作，電阻R_ss被接入電路，與V_REF后級分壓電路并聯(lián)， 使得V_REF分壓減小，輸入UC3846芯片內(nèi)部的電壓基準值降低，保持恒流輸出。這樣通過在數(shù)字芯片中調(diào)整V_REF和I_REF滿足了電動汽車各階段的充電電壓、電流需求。

2.3 系統(tǒng)保護電路設(shè)計 

    充分利用芯片shutdown引腳，當其電壓低于0.5 V時，芯片內(nèi)部關(guān)閉驅(qū)動信號輸出，LLC半橋電路停止工作，實現(xiàn)系統(tǒng)保護。保護電路主要是充電電路過壓、過流保護，其他保護(如溫度等)此處不再盡述。因為電源系統(tǒng)是大功率輸出，當發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)流過的電流將非常大，對整個系統(tǒng)及人員的危害會非常巨大。因此，過壓、過流保護非常重要。整機系統(tǒng)輸出端過壓、過流保護電路設(shè)計如圖5所示。

    在圖5中，外圍電路實時檢測充電器輸出電壓、電流等電氣參數(shù)，電壓、電流經(jīng)過分壓和數(shù)字處理后與保護設(shè)定值比較。當系統(tǒng)輸出電壓、電流超出保護設(shè)定值時，主控芯片shutdown引腳被觸發(fā)，以保護后級電路。

3 系統(tǒng)實例測試及結(jié)果

    為驗證所設(shè)計充電控制系統(tǒng)的正確性和可靠性，在一臺實驗樣機上進行了相關(guān)測試。樣機LLC諧振具體主要參數(shù)如下：

    (1)輸入電壓：

    V_dcmin=390 V，V_dcmax=410 V，V_dc=400 V；

    (2)輸出電壓：

    V_omin=60 V，V_omax=100 V，V_o=80 V；

    (3)空載輸出功率：P_e=3 000 W；

    (4)滿載輸出功率：

    P_o=(V_omax+V_f)I_o=(100+0.8)×33.3 W=3.356 6 kW；

    (5)諧振頻率：f_r=36 kHz；

    (6)正常工作頻率區(qū)間：30 kHz～48 kHz。

    通過理論分析，設(shè)計LLC諧振參數(shù)分別近似取為：L_r=58 μH，L_m=168 μH，C_r=330 nF，變壓器匝比n=2.562 5，原邊近似取14匝，副邊6匝，選擇EE70/32型磁芯。LLC諧振半橋的充電器整機系統(tǒng)測試結(jié)果如圖6所示，圖6(a)是樣機輸出短路測試曲線，圖6(b)是系統(tǒng)輸出電壓/電流測試和整機效率曲線。其中，電壓/電流波形橫坐標是時間，縱坐標是幅值，短路測試中輸出電流、電壓分別為200A/格、20V/格，帶載電壓調(diào)節(jié)測試中電流、電壓為20A(V)/格。圖6中的短路輸出測試表明(實際測試時是3個模塊并聯(lián))：系統(tǒng)短路時，電流急劇上升（最高接近600 A），過流保護電路工作，芯片頻繁重新啟動，維持15 A低電流輸出。從系統(tǒng)電壓測試和效率測試結(jié)果看出，樣機在限頻模式下能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓/電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)光滑，測試結(jié)果以98 V～58 V為例。另外，效率曲線表明，整機系統(tǒng)效率維持在92%以上的較高水平。相比于小功率LLC諧振電源高效率特性，本設(shè)計能夠在大功率場合也能保持較高的效率，具有擴展性。

    本文針對LLC型半橋高效率電動汽車充電器，在對電動汽車充電原理和LLC半橋工作過程的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了以UC3846和ARM9為核心的控制電路，實現(xiàn)電源系統(tǒng)電壓/電流輸出的寬范圍調(diào)節(jié)，滿足各階段充電需求和智能控制。并且采用變頻控制，充分利用LLC諧振網(wǎng)絡(luò)的軟開關(guān)特性實現(xiàn)電源系統(tǒng)的高效率輸出。設(shè)計的樣機運智能化程度高，運行可靠，滿足要求。

參考文獻

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