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)可以視為推動我國國民經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)不僅對我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響，同時也對我國汽車領(lǐng)域的長足發(fā)展產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。近些年來，隨著我國汽車領(lǐng)域的不斷發(fā)展，以電動汽車為首的汽車類型逐漸成為汽車市場發(fā)展的主流趨勢。其中，國務(wù)院及相關(guān)部門針對新能源汽車產(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)電動汽車產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所起到的重要作用。因此，可以把電動汽車看作是我國汽車行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。對于電動汽車來說，充電樁是其重要的組成部分。充電樁主要由兩級結(jié)構(gòu)組成；其中，后級電路的結(jié)構(gòu)與控制情況往往會對充電系統(tǒng)整體的應(yīng)用性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響；同時，也會對蓄電池的使用壽命產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。而DC/DC變換器作為后級電路的重要組成部分，它的性能情況往往會對充電速度及效率產(chǎn)生一定影響，因此，必須高度重視對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)用情況來看，充電樁系統(tǒng)必須滿足在高壓大功率場合應(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。一般來說，高頻隔離型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以從單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與雙級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2個類型進(jìn)行研究與分析。其中，單級拓?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)用過程中，反激變換器結(jié)構(gòu)較為簡單且易操作，但是該變換器結(jié)構(gòu)只適用于小功率場合，無法滿足充電樁的運(yùn)行需求。

正激變換器、移相全橋變換器在使用過程中都會出現(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，同時還可以確保開關(guān)管始終處于零電壓開關(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題。但是需要注意的是，LLC諧振變換器在應(yīng)用過程也存在某些問題，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

從客觀角度來看，LLC諧振式DC/DC變換器電路的開關(guān)過程主要是通過引入諧振效應(yīng)來滿足軟開關(guān)工作的需求，例如當(dāng)電壓或電流處于過零狀態(tài)時，控制開關(guān)管可以自動導(dǎo)通或者關(guān)斷，從而有效地減少開關(guān)損耗的問題。一般來說，軟開關(guān)技術(shù)在應(yīng)用層面上可以從零電壓開通與零電流關(guān)斷2個方面進(jìn)行研究與分析；其中，開關(guān)管在軟開關(guān)以及硬開關(guān)通斷的狀態(tài)下表現(xiàn)出來的運(yùn)行原理不同，如圖1、圖2所示。

圖1 硬開關(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)用軟開關(guān)技術(shù)可以大幅度地提高開關(guān)電源工作的頻率。與此同時，合理應(yīng)用軟開關(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，軟開關(guān)技術(shù)在一定程度上減少了電磁干擾（EMI）與開關(guān)噪聲的問題，具有重要的應(yīng)用價值。結(jié)合以往的研究經(jīng)驗(yàn)來看，軟開關(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題明顯、關(guān)斷損耗問題嚴(yán)重等），會導(dǎo)致在具體應(yīng)用過程中，容易出現(xiàn)效益損失的問題。

圖2 軟開關(guān)狀態(tài)電壓電流示意

近幾年，為了解決該問題，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)勢以及軟開關(guān)的特性，減少以往變換器工作效率低下以及工作質(zhì)量不高的問題。最重要的是，半橋LLC諧振變換器在拓?fù)潋?qū)動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)的問題，導(dǎo)致開關(guān)管控制相對復(fù)雜，但是從整體應(yīng)用效果上來看，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的設(shè)計(jì)需求，在具體設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要針對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，主要利用兩級結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)與分析。前級主要利用半橋式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)軟開關(guān)的應(yīng)用性能[4]。對后級結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要利用C-UK電路交錯并聯(lián)級聯(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)主要針對兩級DC/DC變換器的前級半橋LLC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行闡述與研究。一般來說，兩級DC/DC變換器的前級半橋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個匝數(shù)相同的繞組構(gòu)成的，主動結(jié)合低導(dǎo)通阻抗開關(guān)管形成了同步整流電路體系。這樣一來，不僅可以有效地減少導(dǎo)通過程的損耗問題，同時還可以為后級電路穩(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磁電感可以保持鉗位狀態(tài)，同時不參與諧振過程。結(jié)合相關(guān)原理可知，當(dāng)開關(guān)管的工作頻率與偏離諧振頻率保持一致時，勵磁電感所參與的諧振時間會明顯增加；這樣一來，會直接導(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)模式理論無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。為了及時解決該問題，在半橋LLC參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，研究人員可以利用功能危險性分析法（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)處理過程中，該文主要利用MATLAB的編程方法來實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算的過程。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的反饋情況來看，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 軟開關(guān)特性分析

利用半橋LLC變換器作為前級DC/DC環(huán)節(jié)的根本目的是為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的應(yīng)用功能，確保開關(guān)管的零電壓與整流開關(guān)管零電流始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。這樣一來，既可以減少系統(tǒng)損耗的問題，又可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)增益大小的調(diào)節(jié)管理。由于LCC變換器存在LCC諧振回路的問題，因此可能會導(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)來看，當(dāng)諧振電流明顯低于諧振電壓時，變換器將處于軟開關(guān)的工作狀態(tài)中。除了諧振頻率之外，品質(zhì)因素也可能會對電壓的增益問題產(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關(guān)的增益范圍，同時還可以實(shí)現(xiàn)對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，該過程所造成的系統(tǒng)損耗問題較小，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，對后級結(jié)構(gòu)的選用主要以C-UK變換器為后級結(jié)構(gòu)。在后級結(jié)構(gòu)組成方面，該系統(tǒng)主要利用2個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)行過程中，可以明顯減少輸出電流與輸入電流的問題，起到了濾波的作用。C-UK變換器與前級變換器不同，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 交錯并聯(lián)C-UK變換器的均流分析

在該文研究分析的過程中，后級C-UK變換器主要利用交錯并聯(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)勢主要表現(xiàn)在以下3點(diǎn)：1） 在相同輸出效率條件下，交錯并聯(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） 在開關(guān)頻率恒定不變的條件下，輸出電壓紋波頻率會隨著相數(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)方法存在的能耗問題，具有一定的實(shí)行價值。

4 結(jié)論

該文主要針對LLC諧振式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題以及優(yōu)化問題進(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)了軟開關(guān)設(shè)計(jì)的需求。同時，在上下開關(guān)管所涉及的電壓應(yīng)力問題較小，可以有效地減少開關(guān)損耗的問題。此外，在選擇后級變換器時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用交錯并聯(lián)的方式，初步滿足了升降壓功能，可以滿足充電樁對輸出電壓的需求。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)用的角度來看，該方法具有較強(qiáng)的可操作性，值得推廣與應(yīng)用。