新能源电动大巴空调DC—DC变换器

周雪东

摘 要 随着环保问题的日益突出，电动汽车成为近年来迅速发展起来的一种趋势。电动汽车使用动力电池代替传统的燃油作为能源，电池的续航里程成为了限制电动汽车发展的主要瓶颈。因此，在现有电池的技术条件下提高车载电源的效率成为了一个可以有效的提高电池续航里程的办法。本文研究了一种电动大巴DC-DC变换器，对其中核心LLC谐振部分进行了详细研究，整个变换器具有效率高，输出纹波低，性能可靠等特点。

【关键词】DC-DC LLC 谐振

1 引言

以往的大功率DC-DC变换器大都是采用移相全桥的拓扑结构，电路相对复杂，滞后臂不容易实现软开关等。因此我们采用了比较新颖的半桥LLC谐振电路结构，电路结构紧凑，可以在全负载范围内实现软开关特性。

2 系统硬件设计

2.1 系统组成

DC-DC变换器主要由输入电路、升压电路、谐振电路、输出电路、控制电路等组成。

输入电路：主要由熔断器、滤波器、继电器、预充电电阻、滤波电容等组成，主要功能是对输入电源进行滤波，对电源的进行预充电和保护；

升压电路：主要由升压储能电感、开关管，二极管组成。主要功能是通过斩波电路将电池电压升压至DC850V；

谐振电路：主要由开关管、谐振电容、变压器组成。主要功能是通过LLC谐振网络将能量通过高频变压器传输到次级；

输出电路：主要由同步整理MOS管、電解电容组成。主要功能是对变压器输出电压进行整流和滤波；

控制电路：主要由辅助电源、采样电路、控制部分组成，对DC-DC变换器进行检测控制和故障保护。

2.2 系统核心描述

谐振电路：LLC谐振电路图如图1所示。

工作原理分析：

如图1所示，两个MOS管Q1、Q2组成半桥结构，由一对50%互补的占空比的信号驱动，谐振电容Cs，变压器T1的漏感Ls和激磁电感Lm一起构成LLC谐振网络。

当t=t1时，Q2关断，谐振电流对Q1的寄生电容放电，持续到Q1上的电压为零，Q1的寄生二极管导通。次级整流管Q3导通，Lm上的电压被输出电压钳位。因此只有漏感Ls和谐振电容Cs参与谐振。

当t=t2时，Q1在零电压的情况下导通，变压器原边承受正向电压，Q3继续导通，Q2和Q4关断，此时只有漏感Ls和谐振电容Cs参与谐振。

当t=t3时，Q1保持导通，而Q3、Q4处于关断状态，变压器T1副边与电路脱离，此时激励电感Lm、漏感Ls和谐振电容Cs一起参与谐振。因为Lm远远大于Ls，所以在这个阶段可以认为谐振网络内激磁电流和谐振电流都保持不变。

当t=t4时，Q1关断，谐振电流对Q2的寄生电容放电，直到Q2上的电压为零，Q2的寄生二极管导通。次级整流管Q4导通，Lm上的电压被输出电压钳位。因此只有漏感Ls和谐振电容Cs参与谐振。

当t=t5时，Q2在零电压的情况下导通，变压器原边承受正向电压，Q4继续导通，Q1和Q3关断，此时只有漏感Ls和谐振电容Cs参与谐振。

当t=t6时，Q2保持导通，而Q3、Q4处于关断状态，变压器T1副边与电路脱离，此时激励电感Lm、漏感Ls和谐振电容Cs一起参与谐振。因为Lm远远大于Ls，所以在这个阶段可以认为谐振网络内激磁电流和谐振电流都保持不变。

3 硬件控制

LLC谐振控制器选用意法半导体公司的L6599，该控制器是专门针对LLC串联谐振设计的，支持保护全面和高可靠性的电源设计。在上一代L6598的基础上新增多种功能，如直接连接PFC的专用输出，两级过流保护OCP，自锁禁止输入，轻载突发模式操作，欠压保护输入等。

该谐振控制器工作在50%互补的占空比下，两个信号之间插入一个固定的死区时间，以确保软开关的正常工作，最高支持500KHz，可以高频，高效工作，电磁干扰辐射小。设计人员可以通过外部可编程振荡器设定工作频率，芯片的非线性软启动可防止浪涌电流，最大限度抑制输出电压过冲。在轻载或者空载的情况下，芯片还能进入突发模式控制，以减小损耗。

该谐振控制器内部集成了内部引导同步二极管，给自举电容充电，实现上管驱动，典型峰值电流输出为0.6A，输入为1.2A。不过在驱动高压电流开关器件时需要增加专门的驱动电路。

4 软件控制

为了保证电源工作正常，在硬件的控制基础上加入了软件控制，通过MCU来控制电源的工作时序，对电源的输入电压、输出电压、电流、环境温度等进行监测，同时实现使能控制，工作状态输出以及CAN通讯。

5 总结

该DC-DC变换器采用LLC谐振技术，开关管采用国际先进的碳化硅器件，输出采用同步整流，整机最高效率大于96%。满足了电源高效率，小体积，高可靠性的要求。

参考文献

[1]Sanjaya Maniktala著，王健强等译.精通开关电源设计[M].人民邮电出版社，2015.

[2]Rolenk著，王正仕，张军明译.实用开关电源设计[M].人民邮电出版社，2006.

[3]Abraham L Pressman，Keith Billings著，王志强，肖文勋，虞龙等译.开关电源设计[M].电子工业出版社，2010.