电动汽车车载充电电源交错并联LLC电路研究

引言

在电动汽车领域，车载充电电源的应用与普通电源不同，在电动汽车一次充满动辄几十度电的情况下，充电电源的高效更显得尤为重要。提高效率同时还能进一步降低散热机构的体积与重量。因此，开发高效率电动汽车车载充电器对于电动汽车的发展有着重要的意义。

1 电动汽车车载充电电源原理

车载充电电源的功能是将外部交流电转换为直流电，为电动汽车动力电池充电。目前在实际车载充电电源产品中，较受欢迎的拓扑结构有单级谐振结构、交错并联Boost PFC(功率因数校正，Power Factor Correction)+LLC结构以及LLC+Buck—Boost结构，各典型拓扑的对比如表1所示。根据表格三种方案各有优劣，单级谐振电路较简单，可靠性较高，但成本也较高；LLC是一种谐振变换器，交错并联PFC+LLC的效率更高，元器件电流承载压力低，适合大功率应用；LLC+buck—boost可靠性较高，也是近几年来研究较多的拓扑。综合考虑目前纯电动车的7kW 甚至大于10kW 的充电功率，交错并联PFC+LLC的应用成熟度较高，仍是业内普遍应用方案。

1．1交错并联PFC原理

功率因数校正电路可分为无源功率因数校正与有源功率因数校正。

无源功率因数校正电路由电阻、电容、电感等无源元件组成，其结构简单，但由于电感电容的体积与重量大，一般适用于小功率场合，且对电源波形的校正效果较差，难以达到95％ 以上。

有源功率因数校正由储能元件、开关器件及控制电路组成，其监测输入电压电流，通过控制开关元器件的通断使得输入电流保持为与输入电压同相位的正弦波。根据储能电感的位置不同，其常用电路可分为Buck型、Boost型、Flyback型、Buck—Boost型等。目前BOost型PFC技术已较为成熟，且在大功率场合较为适用。

Boost PFC电路中，为了达到较低的输出纹波，需要选取较大的电感与电容，导致电路成本与体积的增加，在整车的有限空间中增加了布置难度。交错并联Boost PFC利用两相PFC 电路交错运行，其开关元件导通相位相差180°，可大大减小电路中的电感与电容。同时还分摊了输入电流，更利于元器件散热。提高了电路可靠性，因此在大功率场合下，交错并联PFC得到了广泛应用。其电路原理如图1所示。

1-2 LLC原理

传统的桥式变换器中，功．率器件的电压应力等于输人电压，而不像推挽、正激那样为输入电源的两倍，桥式拓扑适合应用在电压平台较高的环境中。电动汽车动力电池普遍在200V至500V之间，通常都使用桥式变换器。为了减小变换器体积，通常需要提高开关频率，但同时带来了开关损耗的增加。为了降低频率升高带来的开关损耗的影响，软开关技术被广泛采用。谐振变换器正是在这种需求之下应运而生。

车载充电电源变换器常用的谐振拓扑为全桥LLC谐振变换器，其主电路拓扑如图2所示。开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成电路的开关网络，两两开关管互补导通，并留出一定的死区时间；谐振电容Cr、谐振电感Lr以及变压器的励磁电感Lm构成电路的谐振网络；变压器副边的整流二极管以及滤波电容Cf构成了电路的整流滤波网络。

全桥LLC谐振变换器输入电流连续，电流纹波小，可减弱EMI，提高变换器的可靠性。同时全桥的LLC与整流桥中，开关器件电压应力低，适合工作在中、大功率应用场合。其不仅可以在全负载范围内实现原边MOS管的ZVS (零电压开关ZeroVoltage Switch)，还可实现整流二极管的ZCS(零电流开关ZeroCurrent Switch)，显著地减小了开关损耗，因此能够在保证高效率的基础上提高工作频率，减小变换器的体积，增大功率密度。

根据全桥LLC谐振变换器的工作原理，当变换器开关频率等于谐振频率时，变换器能够实现原边开关管的ZVS以及副边整流二极管的ZCS，此时变换器效率最高，所以全桥LLC谐振变换器有两种控制模式：变频控制和定频控制。在全桥LLC谐振变换器参数设计中，当输入电压等于额定电压时，使变换器开关频率等于谐振频率。为了提高变换器效率，变频控制就是当输入电压小于额定电压时，固定变换器开关管占空比，相邻桥臂之间留有一定时间的死区。通过调节开关频率调节输出电压。当输入电压大于额定电压时，将开关管开关频率固定在谐振频率附近，通过调节开关管占空比调节输出电压，这就是定频控制原理。

2 交错并联LLC 电路研究

在大功率的应用中，为了提高变换器的功率等级，提高效率，可以将多个模块在输入端和输出端分别串联或者并联，实现多模块的组合工作。在电动汽车充电中面对的低压大电流情况，优先选择的组合方式为输入、输出并联结构。

2．1交错并联LLC原理

LLC谐振变换器能够实现原边开关管的零电压开通和副边整流二极管的零电流关断，获得很高的效率，但是由于该变换器的副边没有滤波电感，导致输出电流的纹波比较大，从而影响输出滤波电容和低压蓄电池的寿命，而且这个缺点在低压大电流输出的应用场合中变得更为明显。为了满足输出电压和输出电流的纹波指标，提高蓄电池的充电质量，需要在副边并联大量电容进行滤波，然而这会导致开关电源的体积增大，降低了功率密度，并提高变换器的成本。减小车载DC-DC变换器的输出电流纹波，不仅有利于提高电路的功率密度，还能改善充电质量，提高低压蓄电池的使用寿命。

针对电流纹波较大的问题，LLC变换器可采用多个LLC模块交错并联的结构。交错并联是指并联运行的各个模块之间开关管的控制信号频率相同，但是相位交错。对于n路交错并联的模块，各路控制信号之间的相位依次相差2π／n，虽然开关器件的开关频率并没有改变，但是通过相位之间的交错，能够实现输入输出电流脉动的倍频，减小电流纹波。

2．2 交错并联LLC输出电流质量计算

根据图3可知，由于LLC谐振变换器的副边电流is(t)的频率是开关频率的两倍，当n个LLC模块输入并联输出并联时，若各路控制信号之间的相位仍然依次相差2π／n，则当n为偶数时，就会出现有n／2路模块的输出滤波电流与其他路相位一致的情况。因此，当LLC谐振变换器交错并联时，各路控制信号之间的相位差应当设置为π／n，为了保证输出电流的平均值仍为Io，此时is(t)的表达式如下：

根据式(3)，可以画出n分别取1、2和3的时候整流电流is(t)的波形，如图4所示。从图中可以看出，当并联模块数越多时，is(t)的频率越高，电流纹波值越小。经过计算可以得到，两路LLC模块并联时的输出纹波电流是单路情况下的20-7％ ，三路LLC并联输出时的纹波电流则是单路情况下的9％ 。因此，多路LLC交错并联的控制方式能够大大降低变换器副边输出电流的纹波，减小滤波电容的数量，有利于提高变换器的功率密度，提高对蓄电池的充电质量。

3 结束语

通过理论计算，交错并联LLC 可有效降低输出纹波。根据行业标准QC／T 895的要求，电动汽车车载充电电源输出电流纹波要求小于5％ ，本方案在满足此要求的前提下，可有效减少滤波电容。目前业内交错并联PFC的方案已经非常成熟，基于同样的考虑，交错并联LLC中也可将每个开关器件的电流应力降为1／n，可提高产品的功率等级，适合大功率的应用。