引言

在電動汽車領域，車載充電電源的應用與普通電源不同，在電動汽車一次充滿動輒幾十度電的情況下，充電電源的高效更顯得尤為重要。提高效率同時還能進一步降低散熱機構的體積與重量。因此，開發高效率電動汽車車載充電器對于電動汽車的發展有著重要的意義。

1 電動汽車車載充電電源原理

車載充電電源的功能是將外部交流電轉換為直流電，為電動汽車動力電池充電。目前在實際車載充電電源產品中，較受歡迎的拓撲結構有單級諧振結構、交錯并聯Boost PFC(功率因數校正，Power Factor Correction)+LLC結構以及LLC+Buck—Boost結構，各典型拓撲的對比如表1所示。根據表格三種方案各有優劣，單級諧振電路較簡單，可靠性較高，但成本也較高；LLC是一種諧振變換器，交錯并聯PFC+LLC的效率更高，元器件電流承載壓力低，適合大功率應用；LLC+buck—boost可靠性較高，也是近幾年來研究較多的拓撲。綜合考慮目前純電動車的7kW 甚至大于10kW 的充電功率，交錯并聯PFC+LLC的應用成熟度較高，仍是業內普遍應用方案。

1．1交錯并聯PFC原理

功率因數校正電路可分為無源功率因數校正與有源功率因數校正。

無源功率因數校正電路由電阻、電容、電感等無源元件組成，其結構簡單，但由于電感電容的體積與重量大，一般適用于小功率場合，且對電源波形的校正效果較差，難以達到95％ 以上。

有源功率因數校正由儲能元件、開關器件及控制電路組成，其監測輸入電壓電流，通過控制開關元器件的通斷使得輸入電流保持為與輸入電壓同相位的正弦波。根據儲能電感的位置不同，其常用電路可分為Buck型、Boost型、Flyback型、Buck—Boost型等。目前BOost型PFC技術已較為成熟，且在大功率場合較為適用。

Boost PFC電路中，為了達到較低的輸出紋波，需要選取較大的電感與電容，導致電路成本與體積的增加，在整車的有限空間中增加了布置難度。交錯并聯Boost PFC利用兩相PFC 電路交錯運行，其開關元件導通相位相差180°，可大大減小電路中的電感與電容。同時還分攤了輸入電流，更利于元器件散熱。提高了電路可靠性，因此在大功率場合下，交錯并聯PFC得到了廣泛應用。其電路原理如圖1所示。

1-2 LLC原理

傳統的橋式變換器中，功．率器件的電壓應力等于輸人電壓，而不像推挽、正激那樣為輸入電源的兩倍，橋式拓撲適合應用在電壓平臺較高的環境中。電動汽車動力電池普遍在200V至500V之間，通常都使用橋式變換器。為了減小變換器體積，通常需要提高開關頻率，但同時帶來了開關損耗的增加。為了降低頻率升高帶來的開關損耗的影響，軟開關技術被廣泛采用。諧振變換器正是在這種需求之下應運而生。

車載充電電源變換器常用的諧振拓撲為全橋LLC諧振變換器，其主電路拓撲如圖2所示。開關管Q1、Q2、Q3、Q4組成電路的開關網絡，兩兩開關管互補導通，并留出一定的死區時間；諧振電容Cr、諧振電感Lr以及變壓器的勵磁電感Lm構成電路的諧振網絡；變壓器副邊的整流二極管以及濾波電容Cf構成了電路的整流濾波網絡。

全橋LLC諧振變換器輸入電流連續，電流紋波小，可減弱EMI，提高變換器的可靠性。同時全橋的LLC與整流橋中，開關器件電壓應力低，適合工作在中、大功率應用場合。其不僅可以在全負載范圍內實現原邊MOS管的ZVS (零電壓開關ZeroVoltage Switch)，還可實現整流二極管的ZCS(零電流開關ZeroCurrent Switch)，顯著地減小了開關損耗，因此能夠在保證高效率的基礎上提高工作頻率，減小變換器的體積，增大功率密度。

根據全橋LLC諧振變換器的工作原理，當變換器開關頻率等于諧振頻率時，變換器能夠實現原邊開關管的ZVS以及副邊整流二極管的ZCS，此時變換器效率最高，所以全橋LLC諧振變換器有兩種控制模式：變頻控制和定頻控制。在全橋LLC諧振變換器參數設計中，當輸入電壓等于額定電壓時，使變換器開關頻率等于諧振頻率。為了提高變換器效率，變頻控制就是當輸入電壓小于額定電壓時，固定變換器開關管占空比，相鄰橋臂之間留有一定時間的死區。通過調節開關頻率調節輸出電壓。當輸入電壓大于額定電壓時，將開關管開關頻率固定在諧振頻率附近，通過調節開關管占空比調節輸出電壓，這就是定頻控制原理。

2 交錯并聯LLC 電路研究

在大功率的應用中，為了提高變換器的功率等級，提高效率，可以將多個模塊在輸入端和輸出端分別串聯或者并聯，實現多模塊的組合工作。在電動汽車充電中面對的低壓大電流情況，優先選擇的組合方式為輸入、輸出并聯結構。

2．1交錯并聯LLC原理

LLC諧振變換器能夠實現原邊開關管的零電壓開通和副邊整流二極管的零電流關斷，獲得很高的效率，但是由于該變換器的副邊沒有濾波電感，導致輸出電流的紋波比較大，從而影響輸出濾波電容和低壓蓄電池的壽命，而且這個缺點在低壓大電流輸出的應用場合中變得更為明顯。為了滿足輸出電壓和輸出電流的紋波指標，提高蓄電池的充電質量，需要在副邊并聯大量電容進行濾波，然而這會導致開關電源的體積增大，降低了功率密度，并提高變換器的成本。減小車載DC-DC變換器的輸出電流紋波，不僅有利于提高電路的功率密度，還能改善充電質量，提高低壓蓄電池的使用壽命。

針對電流紋波較大的問題，LLC變換器可采用多個LLC模塊交錯并聯的結構。交錯并聯是指并聯運行的各個模塊之間開關管的控制信號頻率相同，但是相位交錯。對于n路交錯并聯的模塊，各路控制信號之間的相位依次相差2π／n，雖然開關器件的開關頻率并沒有改變，但是通過相位之間的交錯，能夠實現輸入輸出電流脈動的倍頻，減小電流紋波。

2．2 交錯并聯LLC輸出電流質量計算

根據圖3可知，由于LLC諧振變換器的副邊電流is(t)的頻率是開關頻率的兩倍，當n個LLC模塊輸入并聯輸出并聯時，若各路控制信號之間的相位仍然依次相差2π／n，則當n為偶數時，就會出現有n／2路模塊的輸出濾波電流與其他路相位一致的情況。因此，當LLC諧振變換器交錯并聯時，各路控制信號之間的相位差應當設置為π／n，為了保證輸出電流的平均值仍為Io，此時is(t)的表達式如下：

根據式(3)，可以畫出n分別取1、2和3的時候整流電流is(t)的波形，如圖4所示。從圖中可以看出，當并聯模塊數越多時，is(t)的頻率越高，電流紋波值越小。經過計算可以得到，兩路LLC模塊并聯時的輸出紋波電流是單路情況下的20-7％ ，三路LLC并聯輸出時的紋波電流則是單路情況下的9％ 。因此，多路LLC交錯并聯的控制方式能夠大大降低變換器副邊輸出電流的紋波，減小濾波電容的數量，有利于提高變換器的功率密度，提高對蓄電池的充電質量。

3 結束語

通過理論計算，交錯并聯LLC 可有效降低輸出紋波。根據行業標準QC／T 895的要求，電動汽車車載充電電源輸出電流紋波要求小于5％ ，本方案在滿足此要求的前提下，可有效減少濾波電容。目前業內交錯并聯PFC的方案已經非常成熟，基于同樣的考慮，交錯并聯LLC中也可將每個開關器件的電流應力降為1／n，可提高產品的功率等級，適合大功率的應用。