CN109687543A - 基于llc谐振回路的充电机电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于LLC谐振回路的充电机电路结构，其包括用于对支撑电容预充电的预充电回路；与预充电回路相连、用于稳压、调压的Buck变换回路；与Buck变换回路相连、将Buck输出电压变换为交流方波电压的LLC谐振回路；与LLC谐振回路相连、将方波电压整流为110V直流电压的输出整流回路；与输出整流回路相连、实现输出滤波稳压以的短路保护的输出滤波及保护回路。本专利采用了Buck和LLC谐振变换器组合电路的电路设计方案，其具有开关频率高、效率高、重量轻、体积小、噪音低、功率密度大等诸多优点；在有限空间内可以实现整个电气回路布局，符合目前变流器的高集成、轻量化的发展需求。

Description

基于LLC谐振回路的充电机电路
技术领域
本发明涉技术领域，具体地说，涉及基于LLC谐振回路的充电机电路。
背景技术
近年来，随着用户对地铁车辆在运营可靠性、舒适性、节能降噪和可维护性等方面的要求进一步提高，用户对地铁辅助供电系统的要求也更加严格，轻量化、高效化、高频化已成为辅助供电系统的发展方向。充电机作为地铁辅助系统的重要组成部分，在效率、功率密度、噪声振动等指标上也承受着巨大压力。
现有充电机普遍采用单级半桥变换技术或移相全桥变换技术，这两种技术使用软开关后的效果有限，且受散热条件的制约，充电机的开关频率受到了很大的限制，故存在重量重、体积大、噪音高等缺点。
发明内容
为了解决目前充电机存在的问题，本发明提供基于LLC谐振回路的充电机电路结构，其具体的技术方案如下：
基于LLC谐振回路的充电机电路结构，其包括：
用于对支撑电容预充电的预充电回路；
与预充电回路相连、用于稳压、调压的Buck变换回路；
与Buck变换回路相连、将Buck输出电压变换为交流方波电压的LLC谐振回路；
与LLC谐振回路相连、将方波电压整流为110V直流电压的输出整流回路；
与输出整流回路相连、实现输出滤波稳压以的短路保护的输出滤波及保护回路。
进一步，所述预充电回路包括预充电电阻R6、主接触器KM4、预充电接触器KM5。
进一步，所述Buck变换回路包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q8、续流二极管D3、滤波电抗器L4、滤波电容FC3。
进一步，所述LLC谐振回路包括绝缘栅双极型晶体管IGBT(Q9、Q10)、隔直电容C7及高频变压器TM2。
进一步，输出整流回路包括两个整流二极管D1、D2及其RC缓冲电路。
进一步，所述输出滤波及保护回路包括输出滤波电容C6、C7、C8、C9、放电电阻R5、R6、熔断器FU及防反二极管D3。
进一步，所述LLC谐振回路的参数选型满足以下条件：
步骤1、确定工作频率范围。
首先确定变换器工作频率范围fmin～fmax：fmin为最小开关频率、fmax为最大开关频率，并初选一个第一谐振频率点fr；
步骤2、确定参数m。
其中：Mmin为谐振腔的最小变比、Vout,min为最小输出电压、Vin,max为最大输入电压、Vin,nom为额定输入电压、fsnmax为fs/fr的最大值、fs为实际开关频率；
步骤3、确定最大品质因数Qmax。
变换器安全工作范围内的最大品质因数Qmax，将上一步求出的m及Mmax代入下式
其中：Mmax为谐振腔的最大变比。
步骤4：确定励磁电感Lm。
为保证即使在最坏工作情况下，变换器的工作点仍能保持在感性工作区域内，应使变换器最大工作品质因数Q永远小于Qmax，则
其中:R1为等效输出电阻；
步骤5：确定谐振电感Lr、谐振电容Cr
根据公式Lr＝Lm/m，可计算出谐振电感Lr
再依据可计算出谐振电容Cr。
本发明所提供的基于LLC谐振回路的充电机电路结构，具有以下优点：
第一、本专利采用了Buck和LLC谐振变换器组合电路的电路设计方案，其具有开关频率高、效率高、重量轻、体积小、噪音低、功率密度大等诸多优点；在有限空间内可以实现整个电气回路布局，符合目前变流器的高集成、轻量化的发展需求。
第二、采用本电路结构可使用普通散热片完成功率器件的散热，降低产品成本的同时实现了模块高功率密度的要求。
第三、采用本电路结构可使充电机样机热态效率达到94.3％，效率比传统的充电机效率提高了约2.3％。
附图说明
图1为本发明预充电回路、Buck变换回路、LLC谐振回路电路结构示意图；
图2为本发明输出整流回路、输出滤波及保护回路电路结构图；
图3为本发明LLC谐振回路选型流程图；
图4为本发明IGBT电压电流及驱动波形仿真图；
图5为本发明二极管电压电流波形仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的基于LLC谐振回路的充电机电路结构作进一步详细的说明。
基于LLC谐振回路的充电机电路结构，其包括：
用于对支撑电容预充电的预充电回路；与预充电回路相连、用于稳压、调压的Buck变换回路；与Buck变换回路相连、将Buck输出电压变换为交流方波电压的LLC谐振回路；与LLC谐振回路相连、将方波电压整流为110V直流电压的输出整流回路；与输出整流回路相连、实现输出滤波稳压以的短路保护的输出滤波及保护回路。
所述预充电回路包括预充电电阻R6、主接触器KM4、预充电接触器KM5，所述Buck变换回路包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q8、续流二极管D3、滤波电抗器L4、滤波电容FC3。所述LLC谐振回路包括绝缘栅双极型晶体管IGBT(Q9、Q10)、隔直电容C7及高频变压器TM2。输出整流回路包括两个整流二极管D1、D2及其RC缓冲电路。所述输出滤波及保护回路包括输出滤波电容C6、C7、C8、C9、放电电阻R5、R6、熔断器FU及防反二极管D3。
实施例1：LLC谐振回路的参数选型：
参照图3，步骤1、确定工作频率范围
首先确定变换器工作频率范围fmin～fmax：fmin为最小开关频率、fmax为最大开关频率，并初选一个第一谐振频率点fr；上述参数应主要受变换器体积、重量、散热、材料以及工艺等因素限制，本实施例中，fr＝25kHz，
步骤2、确定参数m
其中：Mmin为谐振腔的最小变比、Vout,min为最小输出电压、Vin,max为最大输入电压、Vin,nom为额定输入电压、fsnmax为fs/fr的最大值、fs为实际开关频率；根据上式可计算出可计算出m＝100。
步骤3、确定最大品质因数Qmax
变换器安全工作范围内的最大品质因数Qmax，将上一步求出的m及Mmax代入下式：
其中：Mmax为谐振腔的最大变比。经计算Qmax为0.8。
步骤4：确定励磁电感Lm
为保证即使在最坏工作情况下，变换器的工作点仍能保持在感性工作区域内，应使变换器最大工作品质因数Q永远小于Qmax，则：
其中:R1为等效输出电阻。
步骤5：确定谐振电感Lr、谐振电容Cr
根据公式Lr＝Lm/m，可计算出谐振电感Lr＝Lm/m＝8uH
再依据可计算出谐振电容Cr＝5uF。
根据以上计算的谐振腔参数，在matlab/simulink仿真软件中做详细的仿真，发现谐振回路的绝缘栅双极型晶体管IGBT(Q9、Q10)均可以实现软开关，仿真波形详见图4(纵轴代表电压或电流、横轴代表时间)。从图4中可以看出：IGBT在开通之前(驱动脉冲到来之前)其集电极和发射极之间的电压已降为零且反并联二极管也无电流通过，实现了零电压零电流开通；在关断IGBT时流过IGBT的电流非常小(＜3A)，实现了小电流关断。
四个整流二极管也均可实现软开关，仿真波形详见图5(纵轴代表电压、横轴代表时间)。
从图5中可以看出：二极管在开通之前其阴极和阳极之间的反向电压已降为零，实现了零电压开通；在关断时流过二极管的电流也为零，实现了零电流关断。
由于四个IGBT可以实现零电压零电流开通和关断，且四个整流二极管也均可实现零电流开通和关断，所以LLC谐振的电路的损耗相比普通电路(半桥变换电路或移相全桥变换电路)减小很多，整机的效率和频率也相应提高很多、体积和重量相应减小很多。
当检测到母线电压(X2.1和X2.2之间的电压)大于阀值(约500V)时预充电接触器KM5吸合通过KM5和电阻R6给滤波电容FC2充电，当母线电压与FC2端电压的压差小于50V时即可发出KM4的吸合指令，KM4吸合后KM5和R6被旁路掉，即完成了整个预充电过程。
通过Q8的开通和关断将母线电压调低，通过LC输出滤波电路将Q8的输出电压滤波成稳定直流电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.基于LLC谐振回路的充电机电路结构，其特征在于：其包括：
用于对支撑电容预充电的预充电回路；
与预充电回路相连、用于稳压、调压的Buck变换回路；
与Buck变换回路相连、将Buck输出电压变换为交流方波电压的LLC谐振回路；
与LLC谐振回路相连、将方波电压整流为110V直流电压的输出整流回路；
与输出整流回路相连、实现输出滤波稳压以的短路保护的输出滤波及保护回路。
2.根据权利要求1所述的基于LLC谐振回路的充电机电路，其特征在于：所述预充电回路包括预充电电阻R6、主接触器KM4、预充电接触器KM5。
3.根据权利要求1所述的基于LLC谐振回路的充电机电路，其特征在于：所述Buck变换回路包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)Q8、续流二极管D3、滤波电抗器L4、滤波电容FC3。
4.根据权利要求1所述的基于LLC谐振回路的充电机电路，其特征在于：所述LLC谐振回路包括绝缘栅双极型晶体管IGBT(Q9、Q10)、隔直电容C7及高频变压器TM2。
5.根据权利要求1所述的基于LLC谐振回路的充电机电路，其特征在于：输出整流回路包括两个整流二极管D1、D2及其RC缓冲电路。
6.根据权利要求1所述的基于LLC谐振回路的充电机电路，其特征在于：所述输出滤波及保护回路包括输出滤波电容C6、C7、C8、C9、放电电阻R5、R6、熔断器FU及防反二极管D3。
7.根据权利要求1所述的基于LLC谐振回路的充电机电路，其特征在于：所述LLC谐振回路的参数满足以下条件：
步骤1、确定工作频率范围；
首先确定变换器工作频率范围fmin～fmax，其中，fmin为最小开关频率、fmax为最大开关频率，并初选一个第一谐振频率点fr；
步骤2、确定参数m；
其中：Mmin为谐振腔的最小变比、Vout,min为最小输出电压、Vin,max为最大输入电压、Vin,nom为额定输入电压、fsnmax为fs/fr的最大值、fs为实际开关频率；
步骤3、确定最大品质因数Qmax；
变换器安全工作范围内的最大品质因数Qmax，将上一步求出的m及Mmax代入下式：
其中：Mmax为谐振腔的最大变比。
步骤4：确定励磁电感Lm；
为保证即使在最坏工作情况下，变换器的工作点仍能保持在感性工作区域内，应使变换器最大工作品质因数Q永远小于Qmax，则：
其中:R1为等效输出电阻；
步骤5：确定谐振电感Lr、谐振电容Cr；
根据公式Lr＝Lm/m，可计算出谐振电感Lr；
再依据可计算出谐振电容Cr。
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