田 銳，凌躍勝，酉家偉，徐 海

(1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)其充電技術(shù)提出了更高要求。電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池造價(jià)昂貴，充電電源必需保持穩(wěn)定的充電電流才能延長(zhǎng)電池使用壽命。直流充電電源具有過充判斷、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽诒ＷC電池安全穩(wěn)定充電的前提下，將充電時(shí)間大大縮短[1]。作為家用交流充電的補(bǔ)充，快速直流充電電源主要設(shè)置在充電站中，供電動(dòng)汽車用戶在外出時(shí)應(yīng)急使用，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

全橋LLC 諧振拓?fù)洌粌H可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān)，并且開關(guān)管的電壓應(yīng)力較小，可工作在更高的電壓水平，提升充電功率，縮短充電時(shí)間，普遍應(yīng)用在充電模塊后級(jí)DCDC 環(huán)節(jié)中。但全橋LLC 諧振變換器在啟動(dòng)時(shí)，由于濾波電容具有較大的充電電流、變換器輸入阻抗較小等因素，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，誤觸發(fā)短路保護(hù)電路，甚至損壞諧振電容和開關(guān)管[2]。

針對(duì)變換器啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流問題，學(xué)者們進(jìn)行了深入研究，并取得可觀進(jìn)展。文獻(xiàn)[3]采用一種基于移相控制的軟啟動(dòng)策略，通過控制占空比D從0 開始線性增加，使變換器增益同樣從0 開始增加，可有效抑制LLC 諧振變換器啟動(dòng)瞬間的電流峰值，但軟開關(guān)工作波形有一定畸變，啟動(dòng)效果不佳；文獻(xiàn)[4]通過對(duì)變換器工作原理的分析，繪制出增益曲線隨占空比D變化的波形，控制占空比D按增益曲線的反函數(shù)增加的移相方式，可使變換器增益從0 線性增加，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為40 ms 時(shí)，電流波形平穩(wěn)上升，具有較好的啟動(dòng)效果，但當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間較短時(shí)，變換器增益雖然線性增加，但上升曲線較陡，仍會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流；文獻(xiàn)[5-6]采用降頻控制的軟啟動(dòng)策略，使電路在2～3 倍工作頻率下啟動(dòng)，可有效消除啟動(dòng)時(shí)的電流過沖，但啟動(dòng)瞬間變換器增益突增，導(dǎo)致啟動(dòng)瞬間的電流峰值仍然較高；文獻(xiàn)[7]在降頻啟動(dòng)中結(jié)合PWM+PFM混合控制策略，可在較窄的調(diào)頻范圍內(nèi)軟啟動(dòng)，并且可以優(yōu)化電流抑制效果。

為優(yōu)化變換器的啟動(dòng)效果，本文提出一種先移相后降頻的軟啟動(dòng)控制策略，結(jié)合了傳統(tǒng)軟啟動(dòng)控制策略的優(yōu)點(diǎn)，在保持全負(fù)載范圍ZVS 軟開關(guān)性能的前提下，在較短時(shí)間內(nèi)完成軟啟動(dòng)，抑制沖擊電流的效果明顯，充電電流可平穩(wěn)上升到穩(wěn)態(tài)工作電流。通過PSIM 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與傳統(tǒng)軟啟動(dòng)策略進(jìn)行對(duì)比分析，并搭建一臺(tái)500 W 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了啟動(dòng)方案的可行性。

1 直流充電樁的充電模塊

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)充電樁的性能要求也越來越高。傳統(tǒng)交流充電樁需要額外的車載充電機(jī)與之配合工作，雖然安全穩(wěn)定，但需要6～8 h 才能完成充電，因此交流充電主要用于夜間或空閑時(shí)間家用充電[8]。在戶外緊急充電的情況下，就需要用到直流充電樁。

直流充電樁是集充電功能、刷卡功能、計(jì)費(fèi)功能、顯示功能等多種人機(jī)交互功能于一體的小型智能充電系統(tǒng)[9]。圖1為直流充電樁的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 直流充電樁的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

交流電源經(jīng)接觸器輸入，通過充電控制模塊給充電電路供電，充電電路包括整流環(huán)節(jié)和DC-DC 環(huán)節(jié)，DC-DC 環(huán)節(jié)的輸出直接連接電池組進(jìn)行快速充電；電能表連接在控制模塊與充電電路之間起到對(duì)充電電路電量計(jì)量的作用和與控制模塊通信的作用；充電樁的充電電流較大，為保證用戶的人身安全設(shè)置了緊急開關(guān)和故障報(bào)警裝置，用戶可通過緊急開關(guān)在發(fā)生故障時(shí)，強(qiáng)制關(guān)閉充電樁，緊急開關(guān)還可以在充電樁短路或電流泄露時(shí)自動(dòng)切斷供電防止設(shè)備的損壞；采樣電路對(duì)電池組的端電壓、充電電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，檢測(cè)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)和防止電池組的過充現(xiàn)象；讀卡模塊使用戶可以更便捷地消費(fèi)與充值；用戶可以通過觸摸屏看到充電信息與充電樁的工作狀態(tài)，也可以通過它輸入相應(yīng)指令來控制充電樁。

其中充電電路的整流環(huán)節(jié)采用VIENNA 整流器，對(duì)輸入的交流電源進(jìn)行濾波整流，為后級(jí)提供穩(wěn)定的直流母線電壓；DC-DC 環(huán)節(jié)采用全橋LLC 諧振變換器，將母線電壓再次轉(zhuǎn)換為可供電池組直接進(jìn)行充電的穩(wěn)定直流電[10]。圖2 為全橋LLC 諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該拓?fù)錇楦綦x式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)電氣隔離和靈活調(diào)壓的功能；全橋設(shè)計(jì)使得每個(gè)開關(guān)管承受的電壓降為半橋電路的一半，較小的電壓應(yīng)力允許更高的輸入電壓，可得到更大的充電功率；全負(fù)載范圍的軟開關(guān)特性可大大提升充電單元的工作頻率，減小了磁性元件的尺寸，進(jìn)而減小了充電樁的體積。

圖2 全橋LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋LLC 諧振變換器可以在高頻率下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，具有較高的功率密度。但它的非線性元件多，難以建立準(zhǔn)確的模型求出分析表達(dá)式，更重要的是其啟動(dòng)瞬間的電流電壓沖擊較大，不加控制的工作波形如圖3 所示。啟動(dòng)瞬間沖擊電流可達(dá)100 A，該電流可能引起短路保護(hù)誤啟動(dòng)，損壞開關(guān)管，甚至將整個(gè)電路板損壞，這是全橋LLC 諧振變換器必須要解決的問題。

圖3 不采用軟啟動(dòng)控制時(shí)的工作波形

2 全橋LLC 諧振變換器的啟動(dòng)過程分析

2.1 啟動(dòng)頻率對(duì)沖擊電流影響

沖擊電流的產(chǎn)生主要是由于在設(shè)計(jì)變換器時(shí)，為保證輸出端電壓被鉗位，將二次側(cè)電容Cf設(shè)計(jì)得非常大，導(dǎo)致在實(shí)際啟動(dòng)時(shí)，需要先對(duì)電容充電，該充電電流為iCf=Cf·dv/dt，可達(dá)100 A。其次，變換器工作在諧振頻率時(shí)，諧振電容Cr與諧振電感Lr構(gòu)成串聯(lián)諧振，使輸入阻抗非常小，也會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)電流上升[11]。

在啟動(dòng)瞬間電路為濾波電容充電，可認(rèn)為輸出電壓為0，折算到變壓器一次側(cè)仍然為0，可視為將Lm短路，只分析A、B兩點(diǎn)的變化。由于死區(qū)時(shí)間非常短，忽略死區(qū)時(shí)間內(nèi)的變化，可認(rèn)為Uab只有Uin和-Uin兩種狀態(tài)。設(shè)啟動(dòng)瞬間流過Lr的電流值為ILr，啟動(dòng)瞬間Cr兩端的電壓值為UCr，當(dāng)Uab=Uin時(shí)：

圖4 uCr與iLrZo的軌跡關(guān)系

設(shè)變換器在坐標(biāo)原點(diǎn)啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)開關(guān)管Q1、Q4開通，沿著式(5)軌跡到達(dá)①；過①點(diǎn)以后開關(guān)管Q2、Q3開通(忽略死區(qū)時(shí)間)，沿著式(6)軌跡到達(dá)②；過②點(diǎn)以后再次轉(zhuǎn)換為Q1、Q4開通，沿著式(5)軌跡到達(dá)③；過③點(diǎn)以后轉(zhuǎn)換為開關(guān)管Q2、Q3開通，再次沿著式(6)軌跡到達(dá)④點(diǎn)，④點(diǎn)坐標(biāo)為(0，-ILr1)。該過程變換器經(jīng)過兩個(gè)開關(guān)周期，使諧振電流從0 增大到ILr1，可以看出期間會(huì)引起很大的沖擊電流。文獻(xiàn)[12]對(duì)變換器啟動(dòng)頻率的分析，得出啟動(dòng)頻率f在大于諧振頻率fr1時(shí)，隨著f的增大沖擊電流減小，在大于2fr1后，ILr=在占空比為0.5 不變的情況下，再增加啟動(dòng)頻率效果不再明顯[12]。

2.2 占空比D 對(duì)沖擊電流的影響

變占空比的控制方式中，諧波分量增加，基波分析法已不再適用，對(duì)電路進(jìn)行時(shí)域分析。

取基準(zhǔn)值：VBASE=Vin，ωBASE=ωr，RBASE=Zr，IBASE=Vin/Zr。

可得到如下方程組：

設(shè)Q、k為已知量，將上述方程組化簡(jiǎn)為關(guān)于M與θ2的方程組，但該方程并沒有解析解，通過賦值法可作出k=10 時(shí)，不同Q值下增益M關(guān)于D的曲線[4]，如圖5 所示。

圖5 定頻控制時(shí)的增益曲線

從圖中可以明顯看出在D從0 增加到0.5 的過程中，M先快速增加再緩慢增加?？焖僭黾拥倪^程會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊電流，傳統(tǒng)移相軟啟動(dòng)方案是控制D線性增加，由于M曲線前段斜率較大，仍會(huì)使沖擊電流較大。文獻(xiàn)[4]采用D的變化曲線設(shè)計(jì)為：

啟動(dòng)初期D變化緩慢，隨著M曲線斜率下降，D的斜率逐漸變大，這樣可以使變換器電壓平穩(wěn)建立，限制啟動(dòng)的沖擊電流。

3 軟啟動(dòng)方案

3.1 傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方案

由上文對(duì)變換器啟動(dòng)過程的分析可知，啟動(dòng)瞬間的沖擊電流與啟動(dòng)時(shí)的頻率、啟動(dòng)時(shí)的占空比密切相關(guān)，啟動(dòng)時(shí)的頻率越大沖擊電流越小；啟動(dòng)時(shí)的占空比越小增益M越小、沖擊電流越小。

控制占空比D從0 開始上升到0.5 的啟動(dòng)方案，稱為移相軟啟動(dòng)，從式(11)可知占空比D從0 變化到0.5 的過程中，變換器的增益M也會(huì)從0 緩慢增加到穩(wěn)態(tài)值，達(dá)到軟啟動(dòng)的目的。

在移相軟啟動(dòng)中，保證啟動(dòng)時(shí)間、死區(qū)時(shí)間等條件相同的情況下，啟動(dòng)頻率設(shè)置為100 kHz，占空比D按照每80 μs增加一次的方式，經(jīng)過20 ms 從0 線性增加到0.5。在PSIM 中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到移相軟啟動(dòng)仿真波形如圖6 所示。從圖中可以看出該策略可以完全消除啟動(dòng)瞬間電流尖峰，但是在0.005～0.01 s 區(qū)域仍然存在電流過沖。

圖6 移相軟啟動(dòng)波形

將啟動(dòng)頻率設(shè)置為2～3 倍諧振頻率啟動(dòng)，再降低到諧振頻率的啟動(dòng)方案，稱為降頻軟啟動(dòng)。上文對(duì)啟動(dòng)過程的分析可知，提高啟動(dòng)頻率可以降低啟動(dòng)沖擊電流，但啟動(dòng)頻率大于2 倍諧振頻率后，再增加啟動(dòng)頻率降低沖擊電流的效果將不再明顯[12]。因此選用2 倍諧振頻率作為啟動(dòng)頻率較為合適。在PSIM 仿真平臺(tái)中，保證啟動(dòng)時(shí)間、死區(qū)時(shí)間等條件相同的情況下，占空比設(shè)置為0.5 不變，選取200 kHz 的啟動(dòng)開關(guān)頻率，每10μs 變換1 次，線性降到諧振頻率100 kHz。降頻軟啟動(dòng)波形如圖7 所示。從圖中可以看出降頻軟啟動(dòng)在啟動(dòng)后期抑制沖擊電流的效果較好，但由于啟動(dòng)瞬間占空比為0.5，在啟動(dòng)瞬間仍然存在電流過沖。

圖7 降頻軟啟動(dòng)波形

3.2 改進(jìn)型軟啟動(dòng)方案及實(shí)驗(yàn)波形

移相軟啟動(dòng)可以消除啟動(dòng)瞬間的電流尖峰，而存在啟動(dòng)過程的電流過沖；降頻啟動(dòng)可以消除啟動(dòng)過程中的電流過沖，而存在啟動(dòng)瞬間的電流尖峰。

本文在兩者基礎(chǔ)上提出改進(jìn)型軟啟動(dòng)策略：在200 kHz的工作頻率下進(jìn)行移相軟啟動(dòng)，并將傳統(tǒng)移相軟啟動(dòng)中控制占空比D線性增加的方式改為按照式(10)方式增加。式(10)為圖5 曲線的反函數(shù)，在該方式下增益隨時(shí)間近似線性增加，電流也隨時(shí)間線性增大。占空比D經(jīng)10 ms 從0 增大到0.5；再切換到降頻軟啟動(dòng)，從200 kHz 線性降低到100 kHz。軟啟動(dòng)波形如圖8 所示。

圖8 先移相后降頻的軟啟動(dòng)波形

對(duì)比傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方案，改進(jìn)后的軟啟動(dòng)方式在啟動(dòng)瞬間具有傳統(tǒng)移相軟啟動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，啟動(dòng)瞬間沖擊電流非常??；同時(shí)在啟動(dòng)中期具有降頻軟啟動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，抑制了啟動(dòng)中的沖擊電流。該軟啟動(dòng)方案，僅用時(shí)25 ms，抑制沖擊電流的效果明顯。

為驗(yàn)證上述軟啟動(dòng)控制策略的可行性，搭建了一臺(tái)500 W的全橋LLC 諧振變換器樣機(jī)，控制板為TMS320F28335 的開發(fā)板。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示?？刂圃摌訖C(jī)，按上述改進(jìn)型軟啟動(dòng)方案進(jìn)行軟啟動(dòng)，并測(cè)試樣機(jī)全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)特性。圖9為樣機(jī)的軟啟動(dòng)波形。圖10為樣機(jī)工作波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上文仿真結(jié)果一致，對(duì)比傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方案，改進(jìn)型的軟啟動(dòng)方案兼具降頻軟啟動(dòng)和移相軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，啟動(dòng)瞬間諧振電流無劇烈振蕩；對(duì)比占空比線性增加方案，采用改進(jìn)型方案變換器增益啟動(dòng)前期變化更加平緩，使得沖擊電流更小；而啟動(dòng)后期，較高的啟動(dòng)頻率，同樣有效抑制了沖擊電流的產(chǎn)生；在25 ms 后的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)波形中，變換器工作波形畸變較小，在欠諧振工作狀態(tài)、諧振工作狀態(tài)、過諧振工作狀態(tài)中，軟開關(guān)特性明顯，工作穩(wěn)定可靠。從結(jié)果分析可得，改進(jìn)型軟啟動(dòng)控制策略可有效抑制啟動(dòng)沖擊電流，啟動(dòng)用時(shí)較短，軟開關(guān)特性良好，具有可行性。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖9 軟啟動(dòng)波形

圖10 樣機(jī)工作波形

4 總結(jié)

針對(duì)充電模塊后級(jí)全橋LLC 諧振變換器的啟動(dòng)沖擊電流問題，本文詳細(xì)分析了變換器的啟動(dòng)過程，對(duì)比傳統(tǒng)移相軟啟動(dòng)和降頻軟啟動(dòng)控制策略的特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)型的軟啟動(dòng)控制策略。該控制策略可使變換器在較短時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，抑制沖擊電流效果顯著，工作波形畸變較小。搭建了仿真模型和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了啟動(dòng)方案的可行性，改進(jìn)型軟啟動(dòng)方案具備傳統(tǒng)啟動(dòng)方案的優(yōu)勢(shì)，啟動(dòng)性能良好，使變換器保持全負(fù)載范圍的軟開關(guān)特性，進(jìn)而提高直流充電樁的穩(wěn)定性和安全性。