芮 彬

（南京磁谷科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 前言

汽車產(chǎn)業(yè)可以視為推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)不僅對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，同時(shí)也對(duì)我國(guó)汽車領(lǐng)域的長(zhǎng)足發(fā)展產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。近些年來(lái)，隨著我國(guó)汽車領(lǐng)域的不斷發(fā)展，以電動(dòng)汽車為首的汽車類型逐漸成為汽車市場(chǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。其中，國(guó)務(wù)院及相關(guān)部門(mén)針對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提出了明確的要求[1]。并在部署規(guī)劃中反復(fù)強(qiáng)調(diào)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所起到的重要作用。因此，可以把電動(dòng)汽車看作是我國(guó)汽車行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，充電樁是其重要的組成部分。充電樁主要由兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成；其中，后級(jí)電路的結(jié)構(gòu)與控制情況往往會(huì)對(duì)充電系統(tǒng)整體的應(yīng)用性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響；同時(shí)，也會(huì)對(duì)蓄電池的使用壽命產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。而DC/DC變換器作為后級(jí)電路的重要組成部分，它的性能情況往往會(huì)對(duì)充電速度及效率產(chǎn)生一定影響，因此，必須高度重視對(duì)DC/DC變換器的研究。

1 LLC諧振式DC/DC變換器的應(yīng)用發(fā)展研究

1.1 DC/DC變換器的應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)合當(dāng)前充電樁的應(yīng)用情況來(lái)看，充電樁系統(tǒng)必須滿足在高壓大功率場(chǎng)合應(yīng)用的需求，且在輸出方面也應(yīng)該處于連續(xù)可調(diào)的狀態(tài)，這樣才能確保充電樁的良好應(yīng)用。為了滿足該運(yùn)行要求，在后級(jí)的DC/DC環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)先利用高頻隔離型變換器進(jìn)行操作應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，高頻隔離型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以從單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與雙級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2個(gè)類型進(jìn)行研究與分析。其中，單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在變換器結(jié)構(gòu)的組成方面，主要由正激/反激、移相全橋以及LLC諧振半橋/全橋等組成。在正式應(yīng)用過(guò)程中，反激變換器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且易操作，但是該變換器結(jié)構(gòu)只適用于小功率場(chǎng)合，無(wú)法滿足充電樁的運(yùn)行需求。

正激變換器、移相全橋變換器在使用過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)不同程度的隱患，難以滿足充電樁安全運(yùn)行的需求。相比于上述幾種類型的變換器，LLC諧振變換器的優(yōu)勢(shì)較為突出，例如LLC諧振變換器不僅可以滿足寬輸入電壓的要求，同時(shí)還可以確保開(kāi)關(guān)管始終處于零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）的模式；最重要的是，二次側(cè)的整流二極管也能滿足零電流關(guān)斷的需求，可以有效地減少其他變換器運(yùn)行期間存在安全隱患的問(wèn)題。但是需要注意的是，LLC諧振變換器在應(yīng)用過(guò)程也存在某些問(wèn)題，例如系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻率變化表現(xiàn)較大，導(dǎo)致LLC參數(shù)設(shè)計(jì)以及控制方法設(shè)計(jì)存在一定難度[2]。

1.2 LLC諧振式DC/DC變換器的應(yīng)用原理及優(yōu)勢(shì)

從客觀角度來(lái)看，LLC諧振式DC/DC變換器電路的開(kāi)關(guān)過(guò)程主要是通過(guò)引入諧振效應(yīng)來(lái)滿足軟開(kāi)關(guān)工作的需求，例如當(dāng)電壓或電流處于過(guò)零狀態(tài)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管可以自動(dòng)導(dǎo)通或者關(guān)斷，從而有效地減少開(kāi)關(guān)損耗的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在應(yīng)用層面上可以從零電壓開(kāi)通與零電流關(guān)斷2個(gè)方面進(jìn)行研究與分析；其中，開(kāi)關(guān)管在軟開(kāi)關(guān)以及硬開(kāi)關(guān)通斷的狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)行原理不同，如圖1、圖2所示。

圖1 硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)電壓電流示意圖

從圖1和圖2可以看出，合理應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以大幅度地提高開(kāi)關(guān)電源工作的頻率。與此同時(shí)，合理應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)還可以大幅度地提高變換器的效率和功率密度。最重要的是，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在一定程度上減少了電磁干擾（EMI）與開(kāi)關(guān)噪聲的問(wèn)題，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合以往的研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面主要以傳統(tǒng)諧振的串聯(lián)諧振變換器以及并聯(lián)諧振變換器的方式進(jìn)行操作應(yīng)用。但是由于這2種方式在寬輸入電壓范圍存在較大的缺陷（例如電壓增益范圍受限問(wèn)題明顯、關(guān)斷損耗問(wèn)題嚴(yán)重等），會(huì)導(dǎo)致在具體應(yīng)用過(guò)程中，容易出現(xiàn)效益損失的問(wèn)題。

圖2 軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)電壓電流示意

近幾年，為了解決該問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)部人員主張利用多諧振變換器運(yùn)作的方式，將電感與電容混合連接，初步解決了傳統(tǒng)串聯(lián)諧振變換器與并聯(lián)諧振變換器存在的缺陷。出現(xiàn)上述缺陷的原因主要是由于諧振變換器在電感與電容方面需要按照實(shí)際運(yùn)行需求采取不同的排列方式，從而導(dǎo)致存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如LLC、LCC等。除此之外，多諧振變換器在重載作用下可以具備良好的串聯(lián)諧振變換器（SRC）變換器特性；在一定負(fù)載范圍內(nèi)可以發(fā)揮自身良好的調(diào)節(jié)能力，確保變換器的運(yùn)行安全[3]。

目前，以半橋LLC諧振變換器為首的多諧振變換器已經(jīng)在各生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛地推廣與應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用反饋情況來(lái)看，作業(yè)人員可以利用半橋LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以及軟開(kāi)關(guān)的特性，減少以往變換器工作效率低下以及工作質(zhì)量不高的問(wèn)題。最重要的是，半橋LLC諧振變換器在拓?fù)潋?qū)動(dòng)控制模塊有多種表現(xiàn)，可以為變換器的操作運(yùn)行提供良好的保障。即使是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在上下橋臂結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管控制相對(duì)復(fù)雜，但是從整體應(yīng)用效果上來(lái)看，變換器還是可以為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供良好的運(yùn)行性能。

2 LLC諧振式DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

為了滿足變換器高功率密度與高功率等級(jí)的設(shè)計(jì)需求，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要針對(duì)LLC諧振式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)。其中，在設(shè)計(jì)DC/DC環(huán)節(jié)時(shí)，主要利用兩級(jí)結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)與分析。前級(jí)主要利用半橋式LLC諧振式串聯(lián)方式進(jìn)行連接處理，并結(jié)合寬輸入電壓范圍以及全輸出復(fù)負(fù)載范圍，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用性能[4]。對(duì)后級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要利用C-UK電路交錯(cuò)并聯(lián)級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行交互連接，以便進(jìn)一步增大系統(tǒng)電壓增益效果及調(diào)節(jié)范圍。

2.1 半橋LLC工作模態(tài)分析

該節(jié)主要針對(duì)兩級(jí)DC/DC變換器的前級(jí)半橋LLC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行闡述與研究。一般來(lái)說(shuō)，兩級(jí)DC/DC變換器的前級(jí)半橋LLC結(jié)構(gòu)在元器件的組成方面，主要以上下橋臂的開(kāi)關(guān)、和諧振電容以及諧振電感等為主。其中，變壓器原邊的勵(lì)磁電感可以為半橋LLC結(jié)構(gòu)的運(yùn)行提供良好的保障。變壓器副邊結(jié)構(gòu)，主要是由2個(gè)匝數(shù)相同的繞組構(gòu)成的，主動(dòng)結(jié)合低導(dǎo)通阻抗開(kāi)關(guān)管形成了同步整流電路體系。這樣一來(lái)，不僅可以有效地減少導(dǎo)通過(guò)程的損耗問(wèn)題，同時(shí)還可以為后級(jí)電路穩(wěn)定輸入電壓提供良好的保障[5]。

2.2 半橋LLC參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在半橋LLC參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，該文主要利用基波分析假設(shè)法將交變換器工作狀態(tài)設(shè)定為臨界連續(xù)狀態(tài)。該設(shè)置的主要目的在于確保勵(lì)磁電感可以保持鉗位狀態(tài)，同時(shí)不參與諧振過(guò)程。結(jié)合相關(guān)原理可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)管的工作頻率與偏離諧振頻率保持一致時(shí)，勵(lì)磁電感所參與的諧振時(shí)間會(huì)明顯增加；這樣一來(lái)，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)的工作狀態(tài)從臨界模式轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)模式。隨著工作狀態(tài)的不斷改變，輸出側(cè)的交流等效阻抗也會(huì)發(fā)生一定變化，容易導(dǎo)致實(shí)際結(jié)果與預(yù)期存在較大偏差。因此，斷續(xù)模式理論無(wú)法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。為了及時(shí)解決該問(wèn)題，在半橋LLC參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，研究人員可以利用功能危險(xiǎn)性分析法（FHA分析方法）進(jìn)行優(yōu)化，獲取更加精確的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

在改進(jìn)處理過(guò)程中，該文主要利用MATLAB的編程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的過(guò)程。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的反饋情況來(lái)看，改進(jìn)后的增益模型不僅可以滿足電流在斷續(xù)模式狀態(tài)下數(shù)值的精確性，而且還可以滿足傳統(tǒng)FHA方法的應(yīng)用原理，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。最重要的是，改進(jìn)后的增益模型在運(yùn)行精確度方面有了大幅度的提高，這為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化的工作提供了較大的便利。在正式應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)系統(tǒng)需求輸入合理參數(shù)，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)求得變壓器匝比值和變換器的增益范圍；并在該基礎(chǔ)上，選擇合適的電感系數(shù)，確定變換器工作頻率的區(qū)間范圍[6]。

2.3 軟開(kāi)關(guān)特性分析

利用半橋LLC變換器作為前級(jí)DC/DC環(huán)節(jié)的根本目的是為了實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用功能，確保開(kāi)關(guān)管的零電壓與整流開(kāi)關(guān)管零電流始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。這樣一來(lái)，既可以減少系統(tǒng)損耗的問(wèn)題，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)增益大小的調(diào)節(jié)管理。由于LCC變換器存在LCC諧振回路的問(wèn)題，因此可能會(huì)導(dǎo)致電流與電壓波形之間出現(xiàn)明顯的相位差。從相關(guān)理論推導(dǎo)來(lái)看，當(dāng)諧振電流明顯低于諧振電壓時(shí)，變換器將處于軟開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)中。除了諧振頻率之外，品質(zhì)因素也可能會(huì)對(duì)電壓的增益問(wèn)題產(chǎn)生直接影響。因此，選擇合適的品質(zhì)因素不僅可以滿足軟開(kāi)關(guān)的增益范圍，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LLC變換器的控制管理。

2.4 損耗分析

在半橋LLC諧振變換結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，內(nèi)部元器件主要是由開(kāi)關(guān)管、電感、電容以及變壓器等構(gòu)成。在上述元器件的相互作用下，可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通；最重要的是，該過(guò)程所造成的系統(tǒng)損耗問(wèn)題較小，可以滿足節(jié)能降耗的需求[7]。

3 C-UK變換器與穩(wěn)態(tài)均流問(wèn)題的研究分析

3.1 C-UK變換器分析與設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，對(duì)后級(jí)結(jié)構(gòu)的選用主要以C-UK變換器為后級(jí)結(jié)構(gòu)。在后級(jí)結(jié)構(gòu)組成方面，該系統(tǒng)主要利用2個(gè)C-UK模塊以并聯(lián)方式進(jìn)行連接處理。根據(jù)C-UK變換器的工作原理以及參數(shù)情況（如圖3所示），來(lái)確定系統(tǒng)運(yùn)作的模式和實(shí)際需求。因?yàn)镃-UK變換器輸入端與輸出端均存在電感器件，所以，在正式運(yùn)行過(guò)程中，可以明顯減少輸出電流與輸入電流的問(wèn)題，起到了濾波的作用。C-UK變換器與前級(jí)變換器不同，其主要利用連續(xù)模式進(jìn)行運(yùn)行，在應(yīng)用中可以表現(xiàn)出電壓增益的效果。除此之外，電路中電感值表現(xiàn)較大，濾波效果顯著且EMI數(shù)值較小。

圖3 C-UK變換器等效電路示意圖

3.2 交錯(cuò)并聯(lián)C-UK變換器的均流分析

在該文研究分析的過(guò)程中，后級(jí)C-UK變換器主要利用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下3點(diǎn)：1） 在相同輸出效率條件下，交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)一般不需要借助較大的電感進(jìn)行操作運(yùn)行。2） 在開(kāi)關(guān)頻率恒定不變的條件下，輸出電壓紋波頻率會(huì)隨著相數(shù)的增加而發(fā)生明顯改變。3） 多相并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以明顯減少每一相所承受的電流應(yīng)力，還可以增強(qiáng)選型的自由度效果，且擁有良好的熱量管理效果。最重要的是，它還可以大幅度減少以往設(shè)計(jì)方法存在的能耗問(wèn)題，具有一定的實(shí)行價(jià)值。

4 結(jié)論

該文主要針對(duì)LLC諧振式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題以及優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究與分析。其中，為了確保直流變換器運(yùn)行的穩(wěn)定性與高效性，在前級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要利用半橋串聯(lián)LLC諧振結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的需求。同時(shí)，在上下開(kāi)關(guān)管所涉及的電壓應(yīng)力問(wèn)題較小，可以有效地減少開(kāi)關(guān)損耗的問(wèn)題。此外，在選擇后級(jí)變換器時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用交錯(cuò)并聯(lián)的方式，初步滿足了升降壓功能，可以滿足充電樁對(duì)輸出電壓的需求。綜上所述，雖然該文所研究的方法在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上并不完美，但是從實(shí)踐應(yīng)用的角度來(lái)看，該方法具有較強(qiáng)的可操作性，值得推廣與應(yīng)用。