普耐尔momo112021年第1期通信与广播电视49
一种基于LLC谐振变换的充电电源设计时金林**谢春〃周涛赵小飞 摘 要
针对不间断电源或应急电源系统中储能电池包的充电需求，设计了基于半桥拓 扑LLC谐振软开关技术的充电电源。详细介绍了半桥LLC谐振变换器的工作原理，结合产品充电指标，对关键器件进行了计算选型，并通过软件仿真验证参数设计的 合理性。随后提供了充电电源的主要硬件原理图，结合充电特性对环路控制进行了 描述。通过样机测试表明该电源转换效率高，输出稳压稳流精度好，能实现储能电 池的充电功能要求，设计方案合理有效。 关键词：储能电池包LLC谐振软开关充电特性环路控制
Design of a Charging Power Supply Based on LLC
Resonant Conversion
Shi Jinlin Xie Chun Zhou Tao Zhao Xiaofei
Abstract
Facing the power-charging demand of energy storage battery pack in UPS or emergency power supply system,this paper gives a design of charging power supply based on half- bridge topology LLC resonant soft switching technology.It introduces the principle of halfbridge LLC resonant converter,calculates and selects the key components by charging characteristics,and testifies the rationality of the parameter design with software simulation.The paper also provides the main hardware scheme of the charging power supply,and describes the loop control with charge characteristic.Prototyping test shows the power supply has high power conversion efficiency,precise and stable output voltage and current,which can meet the charging requirement of energy storage battery.The design is reasonable and effective.
Key words ：Energy storage battery pack LLC resonant soft switch Charge characteristic Loop control
*作者系南京熊猫电子股份有限公司工程师
* *作者系南京熊猫电子股份有限公司技术人员
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50通信与广播电视2021年第1期
一、弓I g
在当今工作与生活中，储能电池的需求日益旺盛，无论是日常可见的电动自行车、电动 工具，抑或是特定行业使用的不间断电源、应急电源等，电池的使用非常可观，因此衍生出 了围绕储能电池相关的充放电维护工具。电池充电电源作为给电池组充电蓄能的环节，需满 足电池组的充电特性，常规的有恒流充电、恒压充电、分阶段恒流恒压充电等方式[1]。电池组充电电源是由电源变换、自动化控制等技术实现的，加之半导体技术的变革，充电电源 正朝着高频化、高效率、高功率密度等方向发展。伴随着大容量电池组的应用，大功率充电 电源也越来越多的用于给电池组及时充电蓄能，因此需选择合适的主拓扑电路以满足高效 率、高可靠性充电。 高频开关电源因功率器件开关频率提升，使得电源体积和重量大幅减小，但整个电源的 开关损耗急剧增加，因而效率指标大打折扣。半桥LLC谐振变换器作为一种软开关电源拓 扑，其在全负载范围内均可实现原边主功率管的零电压开关Z V S以及副边整流二极管的零 电流开关ZCS，可大大降低运行过程中功率半导体上的开关损耗，因而在中大功率直流变换 电源中受到广泛应用u]。本文将在介绍半桥LLC谐振基本工作原理的基础上，结合基波分 析法，计算功率器件等关键器件的参数及选型，通过P sim软件仿真以及样机试制验证理论 分析及实践的正确合理性。
二、半桥L L C谐振工作原理及等效模型分析
如图1所示为半桥LLC谐振拓扑电路，其主要包含三个部分：方波发生电路、谐振网 络和全波整流电路。方波发生电路中4为输人侧直流电，<?,、<?2为半桥的主功率开关管，对应的/),、C,、Z)2、C2分别为两只主功率管的寄生器件；谐振网络部分中心、为谐振电 感和谐振电容，k为隔离变压器7；的激磁电感；全波整流电路中隔离变压器7；副边有两个 匝比1 : 1的抽头，Z)3、£>4为整流功率二极管，输出端仏为储能电容，/?。为输出端负载。
V dc
图1半桥LLC谐振电路拓扑
半桥LLC谐振拓扑电路在一个完整的周期内可有8个工作状态[3]。在运行过程中，功 率管(?,、<?2驱动信号互补且占空比相等各为〇.5，为防止上下功率管直通短路，常规在两个 功率管驱动信号交替的瞬间会加人一定的死区时间，此时0,、均关闭，利用谐振腔储能
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器件久、（；、Lm的谐振特性，功率管内部的寄生电容C,、C2也参与谐振，并进行充放电，为原边功率管零电压开关创造条件。在谐振过程中，会出现两个谐振点，一个是由谐振电感
4、谐振电容构成的串联谐振频率/>—-—，另一个是当激磁电感1…，也参与到谐振
2^j L^Cr
时的并联谐振频率/：2=-------l---------，变换器将通过调频P F M的方式改变输出量大小。
2-n J(L+L m)-C,
当变压器副边侧同名端为正时功率二极管D3导通、Z)4截止，上半段半波整流工作，储能电 容(：3充电储能；当同名端为负时，截止、D4导通，下半段半波整流工作，C3继续充电储 能；当激磁电感Lm参与谐振时，03、/)4均截止，（：3放电续流输出。
基波分析法是LLC谐振变换器普遍使用的分析方法[4]，图2为采用基波分析法的等效 电路模型，其中K…b为谐振腔的矩形方波电压，为隔离变压器7；整个副边折算到原边后的 等效阻抗，/f… = 8n2/?/iT2,n为原副边匝比。
Lr
图2半桥LLC谐振变换器基波等效电路
当定义变量归一化开关频率/：=///：,，电感比h i y/v，品质因数时，半 桥LLC谐振变换器的归一化直流增益M可表示为：
M(f n, k, Q)
上式中电感比L品质因数(？的参数将作为影响变换器直流增益的关键元素，而由工程 经验，々值的取值范围在2〜8，因此可分别固定值与（)值，绘制出归一化直流增益M与归一化开关频率/…的函数曲线如图3所示。其中图3 (a)是取；c= 4时，在的一系列取值下增益曲线图，可以看出当输出侧负载量增加，值将适应增大，若输出电压需要恒定，则对 应的开关频率减小；同时值增大以后变换器直流增益受开关频率的变化更加平缓。图3 (b)是定义(?= 0.5时，在A的优选取值下的增益曲线图，得出结论在同样负载量的情况 下，电感比&值增大，直流增益受开关频率的变化相应变缓。
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山河之恋〇. * 〇. 6 〇. a
(a )给定系列Q 值时增益曲线0. 2 0. 4/〇(b )给定系列k 值时增益曲线
图3 LLC 谐振变换器增益曲线
范照兵是谁的秘书、关键器件参数计算及选型
半桥LLC 谐振电路的设计难点在于谐振电感I 谐振电容4、变压器r ，的参数计算;5]。 结合整机装备的需求，充电电源的前端为常见的P F C 整流电路，输人侧连接到B u s 母线电 压，其范围匕= 320〜380V ，额定为360V ，输出端连接到48V 标称电池组，且要求两阶段 充电，先恒流5A 充电，然后切换为恒压53. 5V 浮充，效率不小于95%。
考虑到输出端整流二极管存在正向压降F f ，且输出端恒定电流5A ，二极管最大需承受 两倍的输出电压应力即107V 以上。为降低功耗，选用东海半导体的肖特基整流二极管 MBR 20R 150CT ，其匕=0. 77V ，耐压150V ，额定电流2x l 〇A ，满足使用要求，进而可以先^tc _ 360得出变压器7；原副边绕麵t U 取。叫2(48+〇 77) 计算最大负载时折算到变压器7；原边的等效电阻尺,3.7。
8a 2 R..
8x 3.72x 53.52 1Po ttzx 53.5x 5
:118.9n 〇
设定电感比A = 5，开关频率设定范围50k ~200kHz ，串联谐振频率/>100kHz 。
勒雪氏病确定谐振元器件参数：取品质因数(? = 〇. 4，谐振电容C :
:33.5nF ，选择33nF ；谐振电感Lr
12l T /r <?^a c 2i t x 1〇〇x 1〇;,x 〇.4x 118.9 76.8uH ，选择(2i r /r)2 Cr (2t t x 1〇〇x 1〇3)2x 33x 1〇- 75j j l H ；变压器原边激磁电感k
助动词= 5x 75x 10-6 = 375uH 。变压器的参数为匝比n = 3.7，原边激磁电感L …, = 375(xH ，选用PQ 3535磁芯并采取三明 治绕线工艺绕制。
原边功率开关管考虑到其电压应力要求，需承受直流母线电压及一定的电压尖峰，按
1.2倍余量选型，选择华润微的CRJF 390N 65G C 型Mosfet ，其最大耐压650V ，导通电阻 0.39(1，额定电流11A ，可满足使用要求。\/
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四、仿真分析
按图1半桥LLC谐振拓扑结构，结合上述已确定的关键器件参数，在P sim电力电子仿 真环境搭建了电路平台，选择开关频率/；2</,</H，使用开环结构恒定开关频率/>90kHz，仿 真波形如图4所示，输出侧在既定负载的情况下，可实现原边Mosfet的零电压开关和副边整 流二极管的零电流开关。
麦兜族图4仿真波形分析
五、主功率电路及控制部分设计
本设计需求的实现将依托于半桥LLC谐振主拓扑以及完整的控制电路，通过前述的分 析计算以及仿真，基本明确了理论分析与参数选型的合理性，因此下面将对充电电源的设计 电路依次介绍。
1.主电路及辅助电源设计
前述分析中主功率器件、谐振网络各器件均已选型，如图5所示即为充电电源的主电路 部分，充电电源的输人接入经由P F C整流之后的高压母线F_BUS，经过电解电容EC1储能, 薄膜电容C2高频滤波之后至半桥主电路拓扑，输出侧使用两只电解电容EC2、EC3储能滤 波之后经过n滤波最终给电池充电。主电路中放置了输出电压采样K…+、输出电流采样/8…8、输入谐振电流采样0C P等检测点，其中谐振电流需经过隔直整流以后送人电源控制芯片，用于对输出电压电流的精确控制以及原边谐振电路的实时保护控制。
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