基于LLC谐振变换器的微型电动车DC-DC设计*

孙帅帅，王 茂，王 毅，包西平

0 引言

基于传统内燃机的汽车的普及，使中国百姓更加便利的同时也带来了严重污染空气问题。为了保持环境的可持续发展，国家大力发展纯电动汽（EV）与混合动力车（HEV）新能源汽车产业[1-2]。在新能源汽车中，车载DC-DC变换器有着广泛的应用。

车载DC-DC变换器的主要作用是取代传统的12 V发电机，广泛运用在HEV与EV的系统中。为了提高电动汽车的续航里程，DC-DC变换器必须具备高效率与高功率密度等特性[3]。而LLC变换器正具有上述优点。其工作频率高，可减少磁性器件的体积，软开关技术的易于实现提高了效率，LLC是目前应用广泛、性能优良的一种DC-DC变换器拓扑结构[4]。

本文对基于LLC的DC-DC变换器进行了分析，并给出了详细的设计步骤，最后基于意法半导体公司的L6599控制芯片制作了一台120 W的实验样机，并进行了实验验证[5]。

1 LLC电路结构及工作原理

半桥LLC变换器的电路结构如图1所示。

图1 半桥LLC拓扑

半桥LLC变换器的主电路由原边开关器件、谐振网络与副边整流网络组成。原边桥臂上下主开关管以50%的固定占空比互补导通，LLC谐振腔由谐振电容Cr、谐振电感Lr与变压器励磁电感Lm所构成。对于LLC电路，有两个谐振频率，分别是Lr与Cr产生的谐振频率fr：

Lr、Lm、Cr产生的谐振频率 fm：

利用基波分量法[6-8]可求得LLC变换器的直流增益比：

其中k1=Lr/Lm，fn=fs/fr，品质因数Q：

RAC是输出电阻折返到一次侧的等效电阻。

由上述可以得到增益M随开关频率变换变换的一簇曲线。

图2 LLC直流增益特性曲线

从图2中可以看出，当工作频率处于fm＜fs＜fr时，可以使原边主开关管的零电压开通(ZVS)与副边整流二极管的零电流关断(ZCS)。

从图2中也可以得出如下结论：当电路工作频率处于fs＞fr，LLC变换器只能实现原边开关管的零电压开通。当电路工作频率区间处于fs＜fm时，LLC电路能够实现原边开关管与副边整流二极管的零电流关断。

因此，fm＜fs＜fr这个阶段是LLC变换器的最佳工作区域。

2 LLC变换器参数设计

本次设计中，LLC变换器输入直流电压Vin范围为360～400 V，输出功率 Po为120 W，输出直流电压Vo为12 V，效率η为0.92。

2.1 变压器匝比

为了实现较高的电路效率，将变换器工作点设计在谐振点处[9]，此时的直流增益Mdc为：

可求得变压器的变比n=Vd/Vo=15.2。

2.2 输入电压增益

由输入电压最大值与最小值，可求得增益的最大值与最小值。

2.3 开关频率与死区时间选择

较高开关频率可使磁性元件的体积得到减小，但与此同时电路的损耗会增加[10]，这样反而降低了整体的效率，在本次设计中，选择开关频率fs为100 kHz，死区时间td设置为300 ns。

电路工作最小频率为：

电路工作最大频率为：

其中k=7。

2.4 谐振参数设计

电路品质因数Q计算如下：

首先对谐振电容Cr选值，谐振电容在LLC变换器中参与了谐振并有着滤波的功能，在本次设计的过程中，要同时考虑到电容承受的的应力与滤波效果[11-12]，计算如下：实际谐振电容 Cr取值为15 nF，其中Rac=8n2Vo2/(π2Po)=218.8 Ω。

求谐振电感，计算如下：

实际谐振电容Lr取值为160 μH。

计算磁电感Lm：

实际谐振电容Lr取值为1.12 mH。

2.5 电路零电压开通校验

在 td死区时间里，因励磁电流Ip较大，所以它对原边的开关管结电容Coss进行恒流的充电与放电，从而使原边开关管ZVS开通得到实现[13-14]。

在本次设计中，选取IRFBC20作为开关管[15]，其中Coss为50 pF，Cstay为100 pF。

可求得所设计的电路最小励磁电流Im_min：

求满足开关管零电压开通的电流Ip：

从上可知Im_min＞Ip，所以本设计可实现原边的零电压(ZVS)转换。

3 关键器件的选型

3.1 原边开关管(MOSFET)

本次设计的基于LLC的DC-DC变换器输入最大直流电压Vinmax=400 V。因此，半桥LLC原边电路中每个MOS⁃FET开关管所承受的最大电压为400 V。流经MOSFET开关管的最大电流[15]计算如下：

原边谐振网络的输入电流的有效值Ip_rms为：

每个MOSFET开关管电流Imos_rms有效值为：

电流最大值为2 Imos_rms=1.168 A。

设计选用的开关管IRBC20其参数为Id=2.2 A，Vds=600 V，可以满足本次设计要求。

3.2 副边整流二极管

对于副边绕组的整流二极管，其所承受的反向电压[16]为2Vo=24 V，流经二极管的有效值Id_rms为：

电流最大值为2Id_rms=15.708 A。

设计选用的开关管MBR2060CT其参数为IF(AV)=10 A，IFRM)=20 A，VR=60 V，可以满足设计要求。

3.3 变压器的设计

设计中采取AP[17]法设计变压器。

其中△B=0.15 T，J=4 A/mm2，η=0.92，窗口利用系数Kw=0.3，波形系数Kf=4。通过计算比较，通过查阅磁芯制造厂家给出的资料，选择TDG天通公司的TPW4材质的PQ26/25磁芯，这个磁芯可以满足设计要求。

本设计中副边绕组匝数Ns=2，原边绕组Np=30。变压器气隙长度lg计算如下：

图3 实验平台

其中查表可得Ae2625=117.72 mm2。

4 实验验证

为了验证上述理论分析和设计，搭建了基于LLC的车载DC-DC变换器实验平台，如图3所示。

图4 fs=fr谐振电流

图5 fs＞fr谐振电流

图6 fs＜fr谐振电流

实验波形如图4～6所示(浅色波形为谐振电流，深色为驱动电压波形)。

图4至图6分别是fs＜fr，fs＞fr，fs=fr情况下的电流与驱动电压波形。从中可以看出，电路运行稳定，电流正弦度较好，验证了所设计的实际电路与理论较为符合。

5 结束语

本文对基于LLC的DC-DC变换器进行了分析，并给出了详细的设计方法，并制作样机进行了实验验证，说明LLC变换器能够较好地应用在车载DC-DC变换器中。

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