14V输出DC/DC LLC谐振变换器的研究
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

14V输出DC/DC LLC谐振变换器的研究
作者:万志华,王建军,张昊东,谭文华 日期:2018-08-30 

14V输出DC/DC LLC谐振变换器的研究

万志华,王建军,张昊东,谭文华
(北京航天发射技术研究所,北京  100076)

摘要:电动汽车用DC/DC变换器是将新能源车辆高压电池的高压直流转换为整车低压12V或24V电瓶需要的低压直流电,对低压电池进行充电的同时,提供给整车所有低压电气零部件使用。文中针对电动物流专用车,设计出一款额定功率1.8kW,输出电压14V的DC/DC变换器。变换器采用LLC技术,可实现开关管全负载范围内的软开关,同时采用同步整流技术,减小了变换器的损耗,提高了电源效率,最终研制出一台最高效率达到95%以上的DC/DC变换器样机。
关键词:DC/DC变换器;LLC技术;高效率
中图分类号:
                  
Research on DCDC Power Converter of 14V Voltage Output Based on LLC Technology
WAN Zhi-hua, WANG Jian-jun, ZHANG Hao-dong, TAN Wen-hua
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076, China)

Abstract: DC/DC converters of new energy vehicles were used for converting the high direct voltage from the high voltage battery to 12V or 24V direct voltage output that the low voltage storage battery needs, which is used for charging the low voltage battery, at the same time, provides energy for the low voltage equipment. On account of logistics transportation car, a DC/DC converter that the rating power was 1.8kW and the rating output voltage was 14V was designed. Soft switch can be achieved at full range load when LLC technology is used; besides, the power loss can be further reduced when the parallel synchronous rectifier technology was proposed. Finally, a DC/DC converter model that efficiency reaches 95% was produced.
Key words: DC/DC Converters, LLC, High Efficiency

0  引  言
    随着石油资源的日益枯竭以及全球气候的恶化,人类开始寻求更加清洁的替代能源,电能作为一种清洁能源更为大家所重视。在这种大环境下,全球各国加大了对电动汽车行业的投入,而发展电动汽车,充电系统是非常重要的环节。充电系统是由多个充电模块并联而成,与充电电池直接相连的充电部分主要是DC/DC 变换器。
    DC/DC变换器是将一种直流电变换另一种直流电的转换装置,随着电力电子技术的不断发展,DC/DC变换器正向着高频化、软开关、高功率密度的方向发展。课题针对电动物流车用14V 输出DC/DC变换器技术要求,采用LLC技术实现了变换器的高频软开关,减小变换器体积的同时降低了变换器的损耗。同时采用同步整流技术,进一步提高了变换器的效率,最终研制出一款最高效率达到95%以上、额定输出1.8kW的DC/DC电源。
1  DC/DC变换器参数设计
1.1  变换器技术指标要求
    课题规定的14V输出DC/DC变换器的主要技术指标如下:
    输入电压范围: 280~420VDC;  
    额定输出电压: 14±0.2VDC;
    额定输出电流: 130A;
    峰值输出电流: 150±10A;
    额定输出功率: 1.8kW;
    峰值输出功率: 2.2kW。
   由于变换器输入电压的范围较宽,而采用LLC技术,变换器只能通过调频控制电源的输出增益,在此情况下,变换器的增益调节范围有限,无法实现在如此宽输入电压范围内的稳压输出。所以课题拟采用两级结构,首先通过一级BOOST电路实现对宽范围输入的升压稳压,设定母线稳压输出510V;然后通过LLC谐振变换最终实现变换器的低压稳压输出。
1.2  LLC谐振变换工作原理
    LLC谐振变换器拓扑结构如图1所示,图1是半桥结构的LLC谐振变换器,两个功率开关管Q1和Q2构成半桥结构,其驱动信号为50%固定占空比的互补信号(实际上,每个开关管的导通时间在一个开关周期内略小于50%,要设置一个死区时间来避免直通)。在a、b点间产生一方波电压作为谐振回路的输入。电容 、串联电感 和变压器激磁电感 构成LLC谐振回路。在变压器副边,同步整流管SR1和SR2组成带中心抽头的全波整流电路,输出电压经输出电容 滤波后供负载使用[1]。

图1   LLC谐振变换电路
对于一个特定参数的LLC谐振变换器,直流增益特性曲线如图2所示,从图中可以看出其有两个谐振点。分别是:
串联谐振频点                                             (1)
并联谐振频点                                    (2)

图2   LLC直流增益特性曲线
图中: ,为谐振电路的品质因数。
    变换器工作在谐振网络等效输入阻抗为感性的区域时,即实现ZVS对于降低功率开关管的开关损耗更有利,所以变换器只能工作于区域2和区域1;同时,当变换器工作在区域1时,在轻载条件下,负载阻抗远大于谐振网络阻抗,几乎全部的电压落在负载上,同时由于其曲线过于平缓,若要对输出电压进行调节,频率变化范围过大,不利于磁性器件的设计;同时在区域2上,整流二极管断续,能够实现ZCS,因此,LLC谐振变换器的最佳工作区域在区域2[2]。

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