CN212992208U

CN212992208U - 用于车载pev电池充电器的交错式llc谐振变换器

Info

Publication number: CN212992208U
Application number: CN202021469738.XU
Authority: CN
Inventors: 陈景文; 周媛; 周光荣; 肖妍; 张文倩
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2030-07-23

Abstract

一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器，可作为车载PEV电池充电器的DC‑DC级，用于PEV电池深度耗尽的情况；该变换器使用双电压电路可减轻变压器寄生电容的影响，扩展变换器的工作范围；其具有两种工作模式：同步和独立；在同步模式下，两个交错变换器以相同的频率一起工作，在独立模式下，仅一个变换器工作。在前一种模式下，它产生的增益是后一种模式下的两倍，因此，结合模式切换和频率控制的操作可实现更宽的输出电压范围。变换器可实现100V~420V的宽输出电压范围，而在独立模式下则可达到50V至100V的输出电压范围。通过组合频率和模式改变控制，它可实现50V到420V的输出范围。

Description

用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器。

背景技术

人们越来越关注环境问题，全球变暖以及化石燃料枯竭的威胁，这使人们对运输电气化的兴趣日益浓厚，因为这是处理二氧化碳排放的最佳方法之一。当今大多数插电式电动汽车（PEV）都配备了Li离子电池组和车载充电器，功率最高可达19.6kW。车载PEV电池充电器必须与此宽电压范围兼容。最常用的车载PEV电池充电系统包括两个阶段。第一步是具有功率因数校正的AC-DC变换器电路，其功能是照顾线路输入电流的谐波失真，以使功率因数保持接近。第二阶段是一个DC-DC变换器，其功能是调节充电电压和电流，提供必要的电流隔离。本实用新型解决车载PEV电池充电器的第二阶段。

传统的PWM DC-DC变换器具有许多缺点，例如高开关损耗，高EMI，由于低频工作而导致尺寸较大以及效率低。因此，谐振变换器可实现初级开关的零电压开关（ZVQ），次级二极管的零电流开关（ZCQ）以及良好的电压调节能力，因此被优选用于电池充电。LLC谐振变换器通常在其增益特性的负斜率或电感区域工作，因为在该区域中所有半导体开关均在软开关条件下工作。为了给电量严重耗尽的电池充电，LLC谐振变换器需要在较宽的开关频率范围内工作，以产生较大的电压增益变化。但是寄生电容在电压增益曲线的谐振频率上产生另一个谐振频率，因此实际上，LLC谐振变换器的输出电压无法控制在足以恢复深度耗尽的电池范围内。

基于此本实用新型提出了一种基于交错式LLC变换器，利用简单的频率控制来实现较宽的输出电压范围。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种可作为车载PEV电池充电器的DC-DC级用关于PEV电池深度耗尽的情况；使用双电压电路可减轻变压器寄生电容器的影响，扩展变换器的工作范围；克服现有技术的不足。

本实用新型通过以下技术方法来实现上述目的：

一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器，包括两个带级联倍压整流器的半桥LLC谐振变换器（以下简称变换器1和变换器2）组成：

变换器1包括两个电源开关管Q1和Q2、谐振电感Lr1，谐振电容Cr1、励磁电感器Lm1、变压器T1，输出二极管D1和D2和输出电容器C1和C2；

变换器2由两个电源开关Q3和Q4、谐振电感器Lr2、谐振电容器Cr2、励磁电感器Lm2、变压器T2、输出二极管D3和D4、输出电容器C3和C4。变换器1和变换器2与公共直流电源Vin并联连接，并且它们与次级侧的倍压器串联连接。

进一步地，降低变压器次级匝数的级联倍压器电路。

进一步地，使用双电压源电路通过电路的切换和频率控制实现其同步和独立两种工作模式下运行。

该交错式LLC谐振变换器的两种工作模式：同步和独立。

同步模式下：两个交错变换器以相同的频率一起工作；

此运行模式下具有谐振器1和2的谐振点相同，即有Cr1=Cr2=Cr，Lr1=Lr2=Lr，Lm1=Lm2=Lm；

所有开关的漏极到源极电容都相同，即CdQ1=CdQ2=CdQ3=CdQ4。

两个变压器的匝数比相等，即NP1/NQ1=NP2/NQ2=n。

所有输出滤波电容器都相同，即C1=C2=C3=C4=C。

独立模式：仅一个变换器工作；

其中在同步模式下产生的增益是独立模式下的两倍，因此，结合模式切换和频率控制的操作可实现更宽的输出电压范围。变换器可实现100V~420V的宽输出电压范围，而在独立模式下则可达到50至100V的输出电压范围。通过组合频率和模式改变控制，它可实现50V到420V的输出范围。

所述交错式LLC变换器同步模式可分为八个工作阶段：

假设电源开关Q1和Q4在时间开始导通时，开关周期开始t0。在t0之前，电源开关Q1和Q4的体二极管导通，并且电源开关Q1和Q4通过ZVQ导通。在次级侧，二极管D1和D4分别传导电流n[ILr1(t)-ILm1(t)]和n[ILr2（t）-ILm2(t)]，其中，n是匝数比，ILm1 ILm2是励磁电流。

阶段1：在开关Q1和Q4分别开始导通电流ILr1和ILr2的时间。在此阶段期间，变换器1将能量从能源转移到负载，变换器2将其先前存储的能量转移到负载。

阶段2：在时间t1，励磁电流变得等于谐振电流，并且输出二极管D1和D4随着ZCQ关断。因此，在变换器1中的电容器Cr1与电感器Lr1，Lm1之间，以及在变换器2中的电容器Cr2与电感器Lr2，Lm2之间发生谐振。

阶段3：在时间t2，电源开关Q1和Q4断开。在变换器1中，ILr1开始流过寄生电容器CdQ1和CdQ2。同样，ILr2开始流过变换器2中的寄生电容器CdQ3和CdQ4。因此，在变换器1中，寄生电容器CdQ1和CdQ2分别通过ILr1充电和放电。在变换器2中，由于ILr2，寄生电容器CdQ3和CdQ4开始放电和充电。寄生电容器会降低Q1和Q4两端的电压上升速率，因此QVQ会通过ZVQ关断。

阶段4（t3-t4）：开关Q2和Q3的体二极管在此阶段开始时导通，分别开始传导电流ILr1和ILr2。在次级侧，二极管D2和D3导通，因此初级绕组NP1和NP2两端的电压分别钳位为-nV0/4和nV0/4。

阶段5至阶段8的运行情况表与阶段1到4的相同。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本实用新型提出了一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器，可作为车载PEV电池充电器的DC-DC级用关于PEV电池深度耗尽的情况；该变换器使用双电压电路可减轻变压器寄生电容器的影响，扩展变换器的工作范围；其具有两种工作模式：同步和独立；在同步模式下，两个交错变换器以相同的频率一起工作，在独立模式下，仅一个变换器工作。在前一种模式下，它产生的增益是后一种模式下的两倍，因此，结合模式切换和频率控制的操作可实现更宽的输出电压范围。变换器可实现100V~420V的宽输出电压范围，而在独立模式下则可达到50V至100V的输出电压范围。通过组合频率和模式改变控制，它可实现50V到420V的输出范围。

附图说明

图1为本实用新型的一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器电路图；

图2为本实用新型的一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器在同步模式下等效电路图；其中，图2（a）为阶段1（t0-t1），图2（b）为阶段2（t1-t2），图2（c）为阶段3（t2-t3），图2（d）为阶段4（t3-t4）。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

图1为本实用新型的一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器电路图；该变换器包括两个带级联倍压整流器的半桥LLC谐振变换器1和2组成：

图2为本实用新型的一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器在同步模式下等效电路图；

假设电源开关Q1和Q4在时间开始导通时，开关周期开始t0。在t0之前，电源开关Q1和Q4的体二极管导通，并且电源开关Q1和Q4通过ZVS（零电压）导通。在次级侧，二极管D1和D4分别传导电流n[ILr1(t)-ILm1(t)]和n[ILr2(t)-ILm2(t)]，其中，n是匝数比，ILm1和ILm2是励磁电流。

阶段1（t0-t1）：在开关Q1和Q4分别开始导通电流ILr1和ILr2的时间。在此阶段期间，变换器1将能量从能源转移到负载，变换器2将其先前存储的能量转移到负载。谐振电流ILr1和ILr2分别沿正向和负向正弦摆动。因此，电容器Cr1和Cr2分别充电和放电。在次级侧，二极管D1和D4导通，如图2（a）所示。此外，在此阶段内，励磁电流ILm1和ILm2分别以斜率nV0/4Lm1和-nV0/4Lm2线性增加和减少。当ILr1和ILr2在时间ti分别等于励磁电流ILm1和ILm2，并且输出二极管D1和D4关断时，此阶段结束。其中V0为输出电压。

阶段2（t1-t2）：在时间t1，励磁电流变得等于谐振电流，并且输出二极管D1和D4随着ZCS（零电流）关断，如图2（b）。因此，在变换器1中的电容器Cr1与电感器Lr1，Lm1之间，以及在变换器2中的电容器Cr2与电感器Lr2，Lm2之间发生谐振。该时间阶段在时刻t2断开电源开关Q1和Q4结束。

阶段3（t2-t3）：在时间t2，电源开关Q1和Q4断开。在变换器1中，ILr1开始流过寄生电容器CdQ1和CdQ2。同样，ILr2开始流过变换器2中的寄生电容器CdQ3和CdQ4，如图2（c）所示。因此，在变换器1中，寄生电容器CdQ1和CdQ2分别通过ILr1充电和放电。在变换器2中，由于ILr2，寄生电容器CdQ3和CdQ4开始放电和充电。寄生电容器会降低Q1和Q4两端的电压上升速率，因此SVS会通过ZVS关断。

当漏极至源极电压VDQ1和VDQ4达到Vin且VDQ2和VDQ3降至零，并且谐振电流开始流经电源开关Q2和Q3的体二极管时，此阶段结束。

阶段4（t3-t4）：开关Q2和Q3的体二极管在此阶段开始时导通，分别开始传导电流ILr1和ILr2，如图2（d）所示。在次级侧，二极管D2和D3导通，因此初级绕组NP1和NP2两端的电压分别钳位为-nV0/4和nV0/4。因此，励磁电流ILm1和ILm2开始分别以–nV0 / 4Lm和nV0/ 4Lm的斜率线性减小和增大。

由于开关Q2和Q3的体二极管在此阶段内导通，因此开关Q2和Q3的漏极-源极电压在此阶段内为零。因此，在此阶段结束之前，开关Q2和Q3在ZVS条件下导通。该阶段在时间t4结束，此时谐振电流ILr1和ILr2开始分别流过电源开关Q2和Q3，并且它们的体二极管被ZCS关断。

阶段5至阶段8的运行情况表与阶段1到4的相同。

Claims

1.一种用于车载PEV电池充电器的交错式LLC谐振变换器，其特征在于，包括两个输入端相并连的半桥LLC谐振变换器，该两个半桥LLC谐振变换器的输入端并联后作为所述交错式LLC谐振变换器的输入端；所述两个半桥LLC谐振变换器的次级侧分别各连接一个级联倍压整流器，且该两个级联倍压整流器串联后作为所述交错式LLC谐振变换器的输出端。

2.如权利要求1所述的交错式LLC谐振变换器，其特征在于，包括第一半桥LLC谐振变换器和第二半桥LLC谐振变换器；第一半桥LLC谐振变换器的次级侧连接第一级联倍压整流器，第二半桥LLC谐振变换器的次级侧连接第二级联倍压整流器；

所述第一半桥LLC谐振变换器包括电源开关管Q1、电源开关管Q2、谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、励磁电感器Lm1、变压器T1；电源开关管Q1与电源开关管Q2串联后两端作为第一半桥LLC谐振变换器的输入端；谐振电感Lr1、谐振电容Cr1、励磁电感器Lm1串联后与电源开关管Q2相并联；励磁电感器Lm1并联变压器T1的初级侧；

所述第一级联倍压整流器包括输出二极管D1、输出二极管D2、输出电容器C1、输出电容器C2；输出二极管D1、输出二极管D2相串联；输出电容器C1、输出电容器C2串联后与输出二极管D1、输出二极管D2并联；变压器T1的次级侧跨接在输出二极管D1、输出二极管D2与输出电容器C1、输出电容器C2之间；

所述第二半桥LLC谐振变换器包括电源开关管Q3、电源开关管Q4、谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、励磁电感器Lm2、变压器T2；电源开关管Q3与电源开关管Q4串联后两端作为第二半桥LLC谐振变换器的输入端；谐振电感Lr2、谐振电容Cr2、励磁电感器Lm2串联后与电源开关管Q4相并联；励磁电感器Lm2并联变压器T2的初级侧；

所述第二级联倍压整流器包括输出二极管D3、输出二极管D4、输出电容器C3、输出电容器C4；输出二极管D3、输出二极管D4相串联；输出电容器C3、输出电容器C4串联后与输出二极管D3、输出二极管D4并联；变压器T2的次级侧跨接在输出二极管D3、输出二极管D4与输出电容器C3、输出电容器C4之间；

所述第一级联倍压整流器与第二级联倍压整流器串联后，两端作为所述交错式LLC谐振变换器的输出端。

3.如权利要求2所述的交错式LLC谐振变换器，其特征在于，所述两个半桥LLC谐振变换器的谐振点相同，即有Cr1=Cr2=Cr，Lr1=Lr2=Lr，Lm1=Lm2=Lm；

所有开关管的漏极到源极电容都相同，即电源开关管Q1、电源开关管Q2、电源开关管Q3、电源开关管Q4中CdQ1=CdQ2=CdQ3=CdQ4；

变压器T1、变压器T2的匝数比相等，即NP1/NQ1=NP2/NQ2=n；

所有输出滤波电容器都相同，即C1=C2=C3=C4=C。