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        直流充電樁--半橋三電平LLC電路

        直流充電樁的前級電路輸出的母線電壓在800V左右,采用半橋三電平LLC電路不僅可以將開關管上承受的電壓應力降低為原來的一半,而且在圈電壓范圍內能實現主開關管的ZVS(零壓開通)和整流二極管的ZCS(零電流關斷)。

        這樣能夠減小開關管和整流管上所承受的應力,提高壽命;同時,也可以減小開關損耗,提高整體效率。

        今天我們就來聊聊后級LLC電路的工作原理。

        半橋三電平LLC的基本電路拓撲如下圖:

        主功率開關器件包括:原邊的四個MOSFET(Q1~Q4)和副邊的全橋整流二極管(D5~D8)。其中,D1~D4和C1~C4分別是各個MOS管對應的寄生二極管和結電容。

        諧振腔元件:Lr是諧振電感,包含線路中的電感和變壓器的漏感;Cr是諧振電容;Lm是主變壓器的勵磁電感。C11和C12是分壓電容,用來穩定諧振腔的正負輸入電壓;D11和D12是鉗位二極管,實現開關管上的電壓能夠被鉗位在輸入電壓的一半;C10是飛跨電容;Co是輸出濾波電容。

        LLC諧振電路根據功能可以劃分為方波輸入、串聯諧振和輸出整流濾波三大網絡。其中最為關鍵的部分是串聯諧振網絡。根據串聯電感和電容的諧振特性,可知LLC諧振網絡具有兩個諧振點。第一諧振過程(由諧振電感Lr和諧振電容Cr單獨諧振)、第二過程(由勵磁電感Lm和諧振電感Lr一起和諧振電容Cr共同諧振),構成的諧振頻率點分別為:

        LLC電路常用的控制手段是調頻和移相控制。其中移相控制保證超前管Q1和Q4實現ZVS,但是Q2和Q3在輕載時難以實現ZVS,同時二極管還存在反向恢復問題,不利于電路的穩定性和效率,所以移相控制是增大輸出電壓的范圍來作為補充控制。

        為了開關管能夠實現ZVS,故要使諧振腔呈現感性狀態,其輸入的高頻方波電壓的頻率必然會大于諧振點的頻率fr2。根據電路開關頻率與諧振頻率點fr1的關系可以分為三種狀態:欠諧振、準諧振和過諧振。在這其中準諧振是電路最為理想的工作狀態,即fs=fr1,此時的電路效率最高,且在半個周期結束時勵磁電流iLM和諧振電路iLr恰好相等,輸出整流管電流恰好減小為零,實現零電流關斷。

        一般,LLC諧振變換器借助于第二諧振過程來實現開關管的ZVS和輸出整流管的ZCS,故其常工作于欠諧振狀態下,下面我們以此來講講。

        下圖是欠諧振下的主要波形:

        t0~t12是穩態下一個開關周期對應的時間,t0~t6和t6~t12分別對應正負半周期,正負半周期實現ZVS和ZCS的機理一致的,只是電流的流通路徑相反,所以我們以正半周期聊一下。

        ①t0~t1

        上橋臂兩個開關管Q1和Q2同時開通,諧振元件為電感Lr和電容Cr,勵磁電感Lm被輸出負載鉗位;諧振腔輸入電壓為+Vin/2,則諧振電流按照近正弦規律快速上升,勵磁電流正向線性增大;

        ②t1~t2

        t1時刻(勵磁電流上升到和諧振電流相等),變壓器上傳輸到二次側的電流減為零,整流管D5和D6實現ZCS;勵磁電感Lm也參與了諧振的過程,此時的諧振電流和勵磁電流是同一個電流,并且以第二諧振頻率發生諧振直到開關管Q1關斷。為了避免環流加大電路損耗以及對變壓器磁飽和的影響,此過程時間一般都比較短,所以我們可以認為這段時間內諧振電流不變;

        ③t2~t3

        上橋臂的超前管Q1在t2時刻關斷,Q1上的結電容C1通過飛跨電容開始接受Q4上結電容C4的電荷,也就是uc1上升,uc4下降;直到t3時刻uc1達到Vin/2,使得D11導通將其鉗位??芍_關管上的最大電壓是輸入電壓的一半;

        ④t3~t4

        在t3時刻,uc1=+Vin/2,uc4下降為0;在D11導通后,諧振腔的輸入電壓變為0。

        ⑤t4~t5

        此時,上橋臂的滯后管Q2在t4時刻關斷,飛快電容D11的作用,uc2上升,uc3下降,則諧振腔的輸入電壓從0逐漸減小為-Vin/2;同時受到輸入電壓Vin和uc3的共同限制,uc2最大也就是Vin/2.由于諧振腔對外表現為感性,所以當諧振腔輸入電壓從零變為負是,諧振電流還是正向的。

        ⑥t5~t6

        上橋臂的滯后管Q2在t5時刻完全關斷,諧振腔的輸入電壓將變成-Vin/2,由于諧振電流的方向仍為正,那么諧振電流將流過Q3和Q4的寄生二極管,為其ZVS做準備。則隨著諧振電流的快速變化,勵磁電感上的電壓將會大于輸出電壓折算到原邊的電壓,這樣的結果就是勵磁電感將會脫離諧振腔。

        今天的內容就先聊到這里,希望大家能夠喜歡!發現PCIM研討會上的內容有一些跟最近分享有關的,不知道大家又去聽嗎?今天是最后一天了,大家感興趣抓住機會去看一下~

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