本文介紹了文獻中描述的流行的 LLC 和 LLC 派生雙向轉換器拓撲。

為車載充電器 (OBC) 選擇 DC-DC 轉換器方案基于效率、性能和功率密度目標，因此首選諧振轉換器。本文介紹了文獻中描述的流行的 LLC 和 LLC 派生雙向轉換器拓撲。

介紹

如圖 1.1 所示，典型的 OBC 架構具有一個雙向前端 ac-dc 級，后跟一個隔離的雙向 dc-dc 轉換器，為高壓電池充電。設計人員必須滿足整個電網和電池電壓范圍的性能、效率和功率密度目標。對于 ac-dc 級，圖騰柱 PFC 是首選解決方案。充電算法在 DC-DC 階段實現。dc-dc 以高頻切換，需要在兩個方向上都具有軟切換的拓撲結構，即使使用寬帶隙設備也是如此。

圖 1.1：典型的 OBC 動力系統

相移全橋 [1] 是一種合適的拓撲結構，但存在諸如有限的零電壓開關 (ZVS) 范圍、獲得 ZVS 的占空比、次級設備的緩沖器等問題。雙有源橋也與 ZVS 一起運行，但具有最佳性能固定輸出的性能。對于高功率，諧振轉換器是首選，因為它們在所有設備中都提供軟開關，即使在高頻下也具有低 EMI。

元件數量少、利用變壓器漏電感進行諧振以及沒有緩沖器/鉗位電路是其他附加優勢。基于 FET 的整流器使轉換器雙向。本文介紹了用于 DC-DC 的 LLC 和 LLC 派生拓撲，并介紹了這些轉換器的 OBC 設計挑戰。

用于 Bi-OBC 的諧振 DC-DC 轉換器

典型 6.6kW OBC 的 DC-DC 級規格如表 2.1 所示。該設計針對最高功率，電流和熱應力是針對充電模式確定的。請注意，兩種模式的效率要求都很嚴格。

表 2.1：OBC dc-dc 級規格

LLC諧振轉換器

LLC 功率級如圖 2.1 所示。該電路有兩個由隔離變壓器隔開的全橋電路。變壓器變比是針對標稱工作電壓設置的。諧振回路增益是諧振元件（Lm、Lr 和 Cr）、負載和開關頻率的函數。

圖 2.1：LLC 轉換器功率級

LLC 轉換器設計程序不是直接的，最終確定最佳諧振回路組件值需要一些迭代。設計步驟總結如下

1. 根據標稱工作輸入和輸出電壓（400V 輸入和 330V 輸出）設置變壓器匝數比 (N)

2. 根據表 2.1 中的轉換器參數確定最大和最小增益要求。最大增益通過最大輸出電壓和最小輸入（考慮 PFC 輸出中的線路頻率紋波含量的最小電壓）進行評估。同樣，輸入電壓的峰值將用于最小增益計算

3. 計算開關頻率范圍。這將是一個迭代過程，需要調整油箱參數 Q（品質因數）和 M（Lm 與 Lr 的比率）

設置共振頻率值。優選高頻以減小變壓器的尺寸。此外，輸出濾波電容和諧振電容值隨頻率降低。然而，在決定頻率時必須監控變壓器和 FET 的關斷損耗。

確定諧振時的最大 Lm 值，該值需要對 FET 的 Coss 放電并幫助初級器件的 ZVS 導通

為 M 設置一個值作為開始。M 值高表示高磁化電感和低循環能量，但可實現的增益有限。對于較低的 M 值，可以在較窄的頻率范圍內實現高增益。產生的磁化電感較小，相關的循環電流和損耗較高。6 到 10 之間的值足以從 [6] 開始。

根據滿載時的最大增益要求選擇 Q。如果增益不夠，則必須減小M值。增益范圍應在整個負載范圍或 Q 范圍內實現。

相關增益的頻率范圍應該很小，并且最小頻率對磁體尺寸和損耗的影響應該很小。重申 Q 和 M 的設計以滿足增益和頻率范圍標準

4.根據M和Q的值，最終確定Lr、Cr和Lm的值。

LLC 轉換器具有雙向潮流能力。但是在放電模式下，磁化電感直接出現在電池兩端，然后是 Lr 和 Cr，從而產生串聯諧振轉換器類型的配置。[4]中LLC在充放電曲線中的增益曲線如圖2.2所示。放電曲線顯示轉換器沒有電壓增益，將導致輸出不穩定。在 [2] 中，LLC 在放電模式下以諧振頻率切換，并且在 LLC 調節 PFC 級的輸入后附加升壓轉換器級。在電池充電模式下，升壓級被繼電器旁路。然而，這種方法增加了組件成本和系統尺寸。

圖 2.2：LLC 充放電模式增益曲線

CLLLC 諧振轉換器

具有 5 個諧振元件的雙向 CLLLC 諧振轉換器如圖 2.3 所示。諧振回路是對稱的，轉換器在充電和放電模式下具有近似相似的增益曲線。

圖 2.3：CLLLC 轉換器功率級

CLLLC 功率級的設計方法類似于 LLC 轉換器。次級諧振元件都稱為初級，等效電路產生傳遞函數。為了簡化設計步驟，假設反射 Lrs 與 Lrp 相同，并設置反射 Crs 與 Crp 的比率。調整等效 M 和 Q 值以滿足兩種模式下的增益和頻率范圍標準。在確定M值時，保證增益曲線單調遞減，沒有多個峰值，從而在整個工作頻率范圍內實現線性控制。

CLLC 諧振轉換器源自CLLLC，其中消除了次級側諧振電感。然而，需要使用 Crs 來調整放電模式的增益曲線。如果還要利用變壓器漏感，則等效配置變為 CLLLC 類型。[3] 中介紹了 3.5kW OBC 的 CLLLC 設計示例和實驗結果。

具有可變直流鏈路電壓的 CLLLC

輸出調節的頻率變化使轉換器偏離諧振，轉換器優化的點。為了將頻率擺幅保持在最低限度，直流總線電壓會根據所需的輸出電壓而變化。調整變壓器變比，使最小輸出電壓對應于 400V 直流母線，然后直流鏈路根據設定的輸出參考線性變化。[4] 中的設計呈現的增益曲線如圖 2.4 所示，頻率范圍顯著降低。

圖 2.4：固定直流母線和可變直流母線 CLLLC 的增益曲線

結論

諧振轉換器無疑是 OBC dc-dc 轉換的首選。借助現代寬帶隙器件，設計人員可以輕松實現高頻下的高效率。文章中描述了基于 LLC 轉換器的流行諧振轉換器配置。介紹了文獻中適合雙向 OBC 規范的設計方法。
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