电动汽车车载充电机用 LLC 谐振变流器研究

刘欢 1 ，柴艳鹏 1 ， 沈懿璇 2 ，韩帅 2 ，陈晓 2

河北大学电子信息工程学院 保定 071002

摘要：碳化硅器件因具有耐高温、低损耗的性能优势，可有效提高系统效率、降低能耗，在电动汽车车载充电机领域具有广阔的应用前景。为满足车载充电机日趋高效化的充电需求，本文针对车载充电机后级DC/DC电路，研究了一种基于碳化硅MOSFET器件的全桥LLC谐振电路，对碳化硅全桥LLC谐振变流器电路进行参数设计，并通过实验验证碳化硅LLC变流器在效率和输出电压范围方面具有优势，证明了碳化硅器件应用到车载充电机后级DC/DC电路的可行性。

关键词：电动汽车；碳化硅器件；车载充电机；LLC谐振变流器；效率

0 引 言

目前，车载动力电池及其充电技术仍然制约着电动汽车行业的发展^[1]。车载动力电池的性能很大程度上决定了汽车的行驶里程，而电动汽车充电技术直接影响了电池的性能以及充电时间的长短^[2]。电动汽车车载充电机是利用电力电子技术将电网侧的交流电变换为符合要求的直流电，进而对车载电池组进行充电的装置。但是用于电动汽车上的车载充电机相比于其它普通电力电子设备有着更高的要求，例如高效率、高功率因数、高可靠性、低输出纹波等^[3]。

本文在车载充电机的后级LLC全桥谐振变流器电路中引入碳化硅MOSFET器件，通过理论分析与实验验证，将其与原有的硅器件充电机进行性能对比分析，证明了碳化硅MOSFET器件在LLC全桥谐振变流器应用中的可行性及稳定性。

1 车载充电机结构

典型的两级式OBC电路结构如图1所示^[4]。前级AC/DC电路采用Boost变流器，主要承担功率因数校正和稳定直流母线电压的功能；后级DC/DC电路采用隔离型全桥LLC电路，相比于移相全桥变流器，其可在全输出电压范围内实现软开关，具有效率高、电流应力小、输出电压范围宽、无反向恢复等优点，主要提供电气隔离，控制输出电压和功率^[5]。

图1 两级OBC典型电路结构

2 碳化硅全桥LLC谐振变流器研究

2.1 拓扑分析

本文将碳化硅MOSFET功率器件应用到全桥LLC谐振变换器，电路拓扑如图4所示。Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为碳化硅MOSFET器件，组成受控开关网络；在其右侧为开关管的体二极管，D₁、D₂、D₃、D₄为输出整流二极管，组成全桥不可控整流网络；C_o为输出电容，T为主功率变压器，L_r为谐振电感，C_r为谐振电容，L_m为励磁电感，R为输出端负载。忽略死区时间，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的控制信号均为占空比为50%的脉冲。

图4 全桥LLC谐振变流器拓扑

2.3 效率分析

谐振电流i_r(t)和励磁电流i_m(t)可分别被表示为：

（1）

（2）

式（2）中：T_res为谐振周期，T_res=1/f_r。

LLC谐振变流器的原边导通损耗、副边导通损耗和开关损耗分别为：

（3）

（4）

（5）

式（3）中，R_Lr为谐振电感绕组的等效串联电阻，R_p为变压器原边绕组的等效串联电阻，R_ds,on为原边开关器件的导通电阻，V_F,LLC为副边二极管的正向导通压降，I_p,rms，I_s,rms分别为原、副边电流的有效值。忽略驱动损耗和PCB线路损耗等，当f_s,LLC=f_r1时，LLC谐振变流器在谐振点处的总损耗为：

（6）

在谐振点处的效率为：

（7）

由式（11）（12）可知LLC谐振变流器在谐振点处的总损耗与效率均为f_r1，L_m的函数。选择较大的L_m和f_r1值可提升LLC谐振变流器在谐振点处的效率。

3 实验结果

根据设计的全桥LLC谐振变流器为依据，对电路的主要元器件进行参数设计并选型。后级LLC电路的主要性能指标如表1所示。

表1 全桥LLC谐振变流器主要性能指标

Table 1 Main performance indicators of full-bridge LLC resonant converter

图5所示为输入400V_in，不同输出电压时V_ds，V_gs，I_o与I_pri的实验波形。输出电压为240V_o时，变换器工作在谐振频率点左侧，开关频率大于谐振频率，原边开关管实现ZVS，副边整流二极管出现硬关断的情况。输出电压为420V_o时，开关频率小于谐振频率，原边开关管实现了ZVS，副边整流二极管实现了ZCS。

（a）400V_in输入240V_O输出的工作波形

（b）400V_in输入420V_O输出的工作波形

图5 400V_in输入，240V_O&420V_O输出的工作波形

作为OBC的后级电路，LLC谐振变流器有恒流（Constant Current，CC）和恒压（Constant Voltage，CV）两种充电模式。限于所选开关器件的电流处理能力，本文将LLC谐振变流器的最大满载电流设置为7.5A。在CC模式下，效率与I_o的曲线图如图6所示。当I_o为6A左右时，LLC的峰值效率可达到97.3%。

图6 CC模式下，效率与I_O关系曲线图

4 结论

本文通过引入碳化硅器件并提出一种高效率电动汽车用车载充电机，该车载充电机后级全桥LLC谐振变流器引入碳化硅MOSFET功率器件，能够有效提升供电系统的能量利用率及车载充电机的整机效率。对LLC谐振变流器的效率进行了优化，LLC的峰值效率超过98.2%。最后通过实验验证了本文所设计后级DC/DC电路的可行性及高效性。

参考文献：

1. 王继海. 两级式电动汽车车载充电机的研究[D]. 安徽理工大学, 2019.

2. 戴慧纯, 叶雪韬, 寿以宁, 等. 基于PFC与LLC两级结构的车载充电机（OBC）控制策略研究[J]. 电工技术, 2020 (11): 38-42.

3. 张光磊, 钟颖强. 国内外电动汽车发展现状与趋势分析[J]. 中外企业家, 2018(35): 240.

4. 刘红丽, 马正来, 聂鹏. 4 kW电动汽车车载充电机的研究与实现[J]. 电气传动, 2017, 47(02): 20-23+42.

5. 徐恒山. 基于两级电路的隔离型高效率车载充电机研究[D].华北电力大学(北京), 2018.

基金项目：河北大学研究生创新资助项目（hbu2020ss003）

Post-graduate’s Innovation Fund Project of Hebei University

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