基于复合式全桥LLC谐振变换器的充电模块研究与设计

摘要

汽车产业作为我国国民经济的支柱性产业，在社会经济发展中扮演着至关重要的角色。近年来，由于汽车产销量和保有量的快速增长，燃油车带来的能源紧缺问题、环境污染问题也愈发突出。为了保障能源的可持续发展，大力发展节能环保的新能源汽车已是大势所趋。在我国，纯电动汽车是使用数量最多且增速最快的新能源汽车，随着电动汽车的不断推广，生产厂家也越来越多，而且各厂家电动汽车的电池参数都各不相同。电池作为电动汽车的核心动力，根据不同的用途，其电压等级也不尽相同。目前从200V～800V之间的都有，乘用车一般在200V～400V之间，货运车一般在500V左右，大巴在500V～750V之间，往后大巴车电池电压也有超过900V的趋势。因此，宽跨度的充电电压对充电设备提出了更高要求，本文主要针对输出电压范围较宽同时兼具高效率的DC-DC变换器拓扑进行系统分析和研究。 充电模块作为充电设备的核心部分，电路拓扑常用的架构方式为前后两级，分别为PFC级和DC-DC级。前级PFC主要是实现整流和升压的功能，后级DC-DC变换器拓扑主要是为了满足所需直流输出电压的要求，本文只针对后级DC-DC变换器拓扑进行系统研究。在众多DC-DC变换器中，LLC谐振变换器与PWM变换器比较而言，具有开关频率高、传输效率高、功率密度大等优点被广泛应用于开关电源，并且还有自然软开关的特性，可以在整个负载范围内完成更高效率的电能转换。目前，多数充电模块DC-DC级电路为交错并联LLC谐振拓扑，经过对比研究，发现该拓扑仍然继承着单个H桥LLC谐振变换器输出电压范围不够宽的缺点。基于此，本文结合LLC谐振技术，提出将复合式全桥拓扑应用于充电模块的DC-DC级电路中，详细分析了移相模式和斩波模式下的拓扑工作原理与电压增益关系，对每个开关管的驱动逻辑和数字实现方法进行了设计，通过闭环控制实现了目标要求。 最后，在PSIM中建立了复合式全桥LLC谐振变换器仿真模型，利用该模型对本文中的理论研究及所提策略进行仿真分析，同时也搭建了相关实验平台，进行实际测试，结果表明了理论研究的正确性和所提策略的合理性。因此，复合式全桥LLC谐振变换器不仅解决了输出电压宽跨度的问题而且还保证了变换器的高效率运行。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 充电设备发展现状

1.3 充电设备研究现状

1.3.1 全桥LLC谐振拓扑

1.3.2 三电平LLC谐振拓扑

1.3.3 交错并联LLC谐振拓扑

1.4 充电设备发展趋势

1.5 本文主要研究内容

2 LLC谐振变换器拓扑分析

2.1 常用谐振变换器分类

2.1.1 串联谐振变换器

2.1.2 并联谐振变换器

2.1.3 LCC谐振变换器

2.1.4 LLC谐振变换器

2.2 LLC谐振变换器工作原理

2.2.1 fm≤fs＜fx的工作状态

2.2.2 fs=fx的工作状态

2.2.3 fs＞fx的工作状态

2.3 LLC谐振变换器特性分析

2.3.1 基波等效电路模型

2.3.2 谐振网络阻抗特性

2.4 LLC谐振变换器与其他变换器比较

2.4.1 与传统谐振变换器比较

2.4.2 与传统PWM变换器比较

2.5 本章小结

3 LLC谐振变换器设计与应用

3.1 关键参数的设计方法

3.1.1 励磁电感优化设计

3.1.2 谐振槽路参数设计

3.2 关键参数对变换器的影响

3.2.1 对直流增益的影响

3.3.2 对槽路电流的影响

3.3 两相LLC拓扑应用

3.3.1 交错并联技术原理

3.3.2 交错并联技术方案

3.4 系统闭环仿真验证

3.4.1 仿真电路拓扑

3.4.2 仿真结果分析

3.5 本章小结

4 复合式全桥LLC谐振变换器

4.1 工作原理及稳态分析

4.1.1 电路拓扑分析

4.1.2 电压增益特性

4.2 硬件电路设计

4.2.1 主功率拓扑图

4.2.2 控制芯片介绍

4.2.3 驱动电路设计

4.2.4 采样电路设计

4.2.5 辅源电路设计

4.3 软件系统设计

4.3.1 程序流程图

4.3.2 数字滤波

4.3.3 控制算法实现

4.3.4 驱动逻辑设计

4.4 仿真及实验分析

4.4.1 拓扑仿真验证

4.4.2 系统实验平台

4.4.3 实验结果分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 后期工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果