CN206341145U - 一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构llc谐振变换器 - Google Patents

一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构llc谐振变换器 Download PDF

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赵文辉
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Abstract

一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，属于DC/DC变换器技术领域，包括主电路和控制模块，主电路包括依次连接的直流电压源、全桥逆变电路、谐振网络、输出整流滤波电路和电池组，控制模块包括采样电路、调制电路、控制芯片、驱动电路。本实用新型LLC谐振变换器采用双变换器串并联结构，两变压器初级绕组串联连接，流过初级绕组的电流相同，能实现副边电流的自动均衡，减少初级绕组的匝数，有利于减小变压器体积，次级并联可以减小副边绕组和整流二极管的电流应力，有利于减小磁芯体积，提高整体功率密度，分散散热点，便于热管理，避免器件受高温老化。

Description

一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振 变换器
技术领域
本实用新型涉及DC/DC变换器技术领域，具体涉及应用于电动汽车充电机的一种双变压器串并联结构全桥LLC谐振变换器。
背景技术
电动汽车具有环保节能、无污染的优点，是一种新能源汽车，具有很广阔的发展前景。随着电动汽车的发展，车载充电机、充电桩等充电设备的需求也与日俱增。电动汽车充电机一般具有两级式结构，前级为功率因数校正电路，后级为隔离式DC/DC变换器。电动汽车充电机的后级DC/DC变换器作为功率输出级，是其核心组成部分。传统硬开关DC/DC变换器开关管和二极管的损耗很大，为了提高效率，现在多采用软开关技术，如移相全桥软开关变换器和LLC谐振变换器。移相全桥变换器因结构简单、电路成熟等优点应用广泛，能实现开关管的ZVS，具有较高的效率，但是它有固有的缺点如占空比丢失、轻载时滞后桥臂难实现软开关，而且整流桥二极管损耗较大；与移相全桥变换器相比，LLC谐振变换器不仅能实现全部开关管的ZVS，还能实现整流桥二极管的ZCS，具有更高的效率，因此LLC谐振变换器越来越多地被应用于电动汽车充电机。
为了满足电动汽车的长续航能力，电动汽车搭载了大容量的电池组。为了适应这种变化，电动汽车充电机需要具备输出电压高、功率大、功率密度高、体积小、效率高的特点，而随着充电机功率等级的提升，其主要构成部分DC/DC变换器需要传输的功率增大，隔离变压器体积增大，变压器体积增大导致市场上常见的磁芯型号无法满足这种中大功率的设计要求，变压器设计难度加大，而且单变压器散热集中易引起器件老化问题。此外，变压器体积过大违背了充电机高功率密度、小体积的设计初衷。所以传统的单变压器的LLC谐振变换器对电动汽车充电机的应用具有一定限制。
实用新型内容
基于以上背景技术，针对传统LLC谐振变换器的不足，本实用新型提出一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器。本实用新型提出的变压器初级串联、次级两整流桥并联的全桥LLC谐振变换器具有很好的软开关特性，双变压器结构有利于减小磁芯体积，便于热管理，两变压器初级串联有利于减少初级绕组的匝数，两变压器次级并联有利于减小次级绕组和整流二极管的电流应力，不需要额外的控制就能实现功率自动均衡，提高输出功率等级和功率密度，具有很强的工程应用价值。
本实用新型是通过如下技术方案来实现的：
所述一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，包括主电路和控制模块；所述主电路包括依次连接的直流电压源、全桥逆变电路、谐振网络、输出整流滤波电路和电池组；直流电压源与全桥逆变电路相连，提供输入电压；全桥逆变电路和谐振网络相连，谐振网络由谐振电感Lr、谐振电容Cr和初级绕组串联的两变压器的励磁电感Lm1、Lm2组成；两变压器次级绕组分别与一个整流桥相连，输出整流滤波电路为电池组提供直流充电电压。
所述的直流电压源提供输入电压，在电动汽车充电机中这个输入电压由前级AC/DC功率因数校正电路提供。
所述全桥逆变电路是由四个相同的功率MOSFET管组成。
所述谐振网络包括谐振电感、谐振电容、励磁电感，谐振电感为一个单独的外接电感或者集成于两变压器内部的漏感之和，励磁电感为两个初级绕组串联连接变压器的励磁电感Lm1、Lm2。谐振网络的工作原理：当变压器原边向副边传递能量时，励磁电感Lm1、Lm2被钳位，只有Lr、Cr参与谐振，谐振频率为fr；当变压器原边不向副边传递能量，负载电压由输出电容Co提供时，励磁电感也参与谐振，谐振频率为fm。
所述输出整流滤波电路由两个相同的整流桥、一个输出滤波电容组成，其中一个整流桥与一个变压器次级绕组相连，两个整流桥的输出端并联连接到输出滤波电容。
所述控制模块包括采样电路、调制电路、控制芯片、驱动电路，控制模块采集电池组的电压信号Vo和电流信号Io并生成四路驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4控制全桥逆变电路四个MOSFET管S1、S2、S3、S4的开通与关断。所述采样电路包括输出电压采样电路和输出电流采样电路，输出电压采样电路采用电阻分压采样，输出电流采样电路采用电流互感器实现；调制电路包括恒压控制电路和恒流控制电路，实现恒流恒压控制；控制芯片为TI公司的专用谐振芯片UCC25600，通过调节RT引脚的外接电阻大小设定LLC变换器的最大工作频率和最小工作频率，控制芯片具有过电流保护功能，将采用电容分流法采集变压器原边谐振网络的电流输入UCC25600的OC引脚；驱动电路采用运放将控制芯片UCC25600生成的两路占空比50％、相位相差180度且带有一定大小死区的驱动电压信号放大，并用隔离变压器将两路驱动信号分成4路驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4，其中驱动信号Vgs1、Vgs4相同，驱动信号Vgs2、Vgs3相同，4路驱动信号分别输入全桥开关网络的四个功率MOSFET开关管控制开通与关断。
所述控制芯片UCC25600是由TI公司生产的专用于LLC谐振变换器控制的芯片，内部集成支持30～350kHz开关频率的振荡器，可编程的死区时间使电路能在最小的磁化电流下实现零电压开通，可编程的软启动时间可以提高LLC电路设计的灵活性，芯片仅8个引脚，与市场上其他16脚的LLC控制芯片相比，使用该芯片有利于简化PCB设计，外围电路简单，这在一定程度上有利于提高系统效率，减少系统成本。
附图说明
图1为一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的主电路图；
图2为一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的控制模块原理框图；
图3为一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的等效电路模型。
图4为对图3进一步简化后的一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的等效电路模型。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实用新型的技术方案做出详细说明。
如图1所示，一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器主电路包括依次连接的直流电压源、全桥逆变电路、谐振网络、输出整流滤波电路和电池组；直流电压源与全桥逆变电路相连，提供输入电压；全桥逆变电路和谐振网络相连，谐振网络由谐振电感Lr、谐振电容Cr和初级绕组串联的两变压器的励磁电感Lm1、Lm2组成；两变压器次级绕组分别与一个整流桥相连，输出整流滤波电路为电池组提供直流充电电压；所述直流电压源提供输入电压，在电动汽车充电机中这个输入直流电压由前级AC/DC功率因数校正电路提供。
如图1所示，全桥逆变电路由四个功率MOSFET管S1-S4组成，Ds1-Ds4分别为四个MOSFET管的寄生二极管，Cds1-Cds4分别为四个MOSFET管的寄生电容。谐振网络由谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm1、励磁电感Lm2组成，谐振电感Lr为独立的谐振电感为一个单独的外接电感或者两变压器T1、T2的漏感之和，励磁电感为初级绕组串联连接的两个变压器的励磁电感Lm1、Lm2之和。输出整流滤波电路包括两个桥式整流电路和一个滤波电容Co，二极管D1-D4组成的桥式整流电路的输入端与变压器T1的次级绕组相连，二极管D5-D8组成的桥式整流电路的输入端与变压器T2的次级绕组相连，两桥式整流电路的输出端并联接到滤波电容Co两端，整流电压的经滤波电容Co滤波后的电压Vo给电池组供电。由于两个变压器初级绕组串联连接，励磁电感的电流相等，次级整流桥并联连接电流能够自动均衡。
图2为一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的控制模块原理框图，控制模块实现双变压器串并联结构全桥LLC变换器主电路的恒流恒压控制，提供4路占空比50％、相位相差180度且带有一定大小死区的电压驱动信号，控制模块包括采样电路、调制电路、控制芯片、驱动电路。采样电路包括输出电压采样电路和输出电流采样电路，输出电压采样电路采用电阻分压采样，输出电流采样电路采用电流互感器实现，调制电路建立环路补偿实现恒压控制和恒流控制；控制芯片UCC25600实现主电路的变频控制，控制芯片UCC25600通过调节RT引脚的外接电阻大小设定LLC变换器的最大工作频率和最小工作频率，控制芯片具有过电流保护功能，将采用电容分流法采集变压器原边谐振网络的电流输入UCC25600的OC引脚；驱动电路采用运放电路将控制芯片UCC25600生成的两路占空比50％、相位相差180度且带有一定大小死区的驱动电压信号放大，并用隔离变压器将两路驱动信号隔离分成4路驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4，其中驱动电压信号Vgs1、Vgs4相同，驱动电压信号Vgs2、Vgs3相同，4路驱动电压信号分别加到全桥逆变电路的四个MOSFET功率开关管S1-S4栅源两极的实现开关管的开通与关断。
图3为一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的等效电路模型，为了简化分析，通常采用基波近似分析法(FHA)对LLC谐振变换器建立等效电路模型，图中Vif为输入电压Vdc经全桥逆变电路逆变后的交流电压的基波分量，Rac1和Rac2为副边等效到原边的交流等效电阻，Vac为副边电压等效到原边的等效交流电压。
图4为对图3进一步简化后的一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器的等效电路模型，图中Vif为输入电压Vdc经全桥逆变电路逆变后的交流电压的基波分量，励磁电感Lm为Lm1、Lm2之和，等效电阻Req为Rac1、Rac1之和，等效电路模型的建立有利于简化谐振网络的参数设计，缩短开发时间。

Claims (5)

1.一种应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，其特征在于：包括主电路和控制模块；所述主电路包括依次连接的直流电压源、全桥逆变电路、谐振网络、输出整流滤波电路和电池组；直流电压源与全桥逆变电路相连，提供输入电压；全桥逆变电路和谐振网络相连，谐振网络由谐振电感Lr、谐振电容Cr和初级绕组串联的两变压器的励磁电感Lm1、Lm2组成；两变压器次级绕组分别与一个整流桥相连，输出整流滤波电路为电池组提供直流充电电压；所述控制模块包括采样电路、调制电路、控制芯片、驱动电路，控制模块采集电池组的电压信号Vo和电流信号Io并生成四路驱动信号Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4控制全桥逆变电路四个MOSFET管S1、S2、S3、S4的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，其特征在于：所述全桥逆变电路是由四个相同的功率MOSFET管组成。
3.根据权利要求1所述的应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，其特征在于：所述谐振网络包括谐振电感、谐振电容、励磁电感，谐振电感为一个单独的外接电感或者集成于两变压器内部的漏感之和，励磁电感为两个初级绕组串联连接变压器的励磁电感Lm1、Lm2。
4.根据权利要求1所述的应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，其特征在于：所述输出整流滤波电路由两个相同的整流桥、一个输出滤波电容组成，其中一个整流桥与一个变压器次级绕组相连，两个整流桥的输出端并联连接到输出滤波电容。
5.根据权利要求1所述的应用于电动汽车充电机的双变压器串并联结构LLC谐振变换器，其特征在于：所述控制芯片为TI公司的专用谐振芯片UCC25600，所述采样电路包括输出电压采样电路和输出电流采样电路。
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