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基于LLC諧振變換器的大功率智能充電器設(shè)計方案

發(fā)布時間:2012-02-20

中心議題:

  • LLC 諧振電路的工作原理和特點
  • 智能充電器的軟硬件設(shè)計
  • 智能充電器的性能指標(biāo)測試


本文闡述半橋LLC 諧振電路的工作原理和特點,并且用MATLAB 對LLC 諧振進行了仿真,分析了其工作區(qū)域。在此基礎(chǔ)上,運用NCP1653 提供PFC 電路,NCP1396(壓控震蕩器)為電路提供保護功能,單片機芯片S3F84K4 通過編程為電路提供智能控制,設(shè)計了一款大功率智能充電器。通過測試,該款充電器能很好的實現(xiàn)充電功能。

引 言

充電器與人們的日常生活密切相關(guān),充電器充電性能的好壞與被充電池的使用壽命、充電效率等息息相關(guān)。 由于外界溫度變化,電網(wǎng)電壓波動,因而大大降低了充電器充電性能的穩(wěn)定性,這就需要有一種能自我調(diào)節(jié)的系統(tǒng),遇到外界的干擾能實時做出回應(yīng),保證充電的穩(wěn)定性,不損壞被充電的電池。 智能控制在此能提供一種很好的解決方案。電源行業(yè)已經(jīng)開始在其產(chǎn)品中運用智能控制,通過單片機的編程對過壓、過流情況做出判斷,為電池提供保護。 LLC 諧振變換器在充電器的運用也是越來越多,LLC 諧振變換器的拓撲本身具有一些優(yōu)越的性能,可以實現(xiàn)原邊開關(guān)管在全負載下的零電壓軟開關(guān)(ZVS:Zero VoltageSwitch),副邊整流二極管電壓應(yīng)力低,因此高輸出電壓的情況下可以實現(xiàn)較高的效率等。 這使得LLC 諧振變換器特別適合高輸出電壓的應(yīng)用場合。 今后電源的發(fā)展方向是用單片機來完成所有功能,包括:脈寬調(diào)控、反饋、過壓過流保護等等。

下面介紹的就是一款應(yīng)比亞迪公司(BYD)的要求,設(shè)計出的一種基于單片機的智能充電器。 該充電器對充電過程進行智能控制,系統(tǒng)中的管理電路還具有保護功能,可防止電池的過充和過放對電池造成損壞。

1  LLC 諧振變換器

本充電器設(shè)計中要考慮整流濾波、能量轉(zhuǎn)換,電路保護、軟件設(shè)計等。 而LLC 諧振變換器是能量轉(zhuǎn)換中最重要的部分,關(guān)系到充電器性能的好壞。 下面著重介紹其基本結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型及時序分析。

1. 1  LLC 諧振變換器的基本結(jié)構(gòu)
圖1 所示為LLC 諧振變換器的原理圖。 串聯(lián)諧振電感Lr 、串聯(lián)諧振電容Cr 和并聯(lián)諧振電感Lm ,構(gòu)成LLC 諧振網(wǎng)絡(luò), Cr 也起到隔直作用[3 ] . 在變壓器次級,整流二極管直接連接到輸出電容Co上。


圖1  LLC 諧振變換器的原理圖


當(dāng)發(fā)生諧振時,LC 的本征諧振頻率為:

當(dāng)Lr , Cr 和Lm發(fā)生諧振時,LLC 本征諧振頻率為:

由式(1) 、(2) 可知f1 > f2 ,當(dāng)負載RL 變化時,可以調(diào)節(jié)開關(guān)(Q1 、Q2 ) 頻率在f1 和f2 間變化,使品質(zhì)因數(shù)達到最大。 利用這種特性,可以方便地實現(xiàn)脈沖頻率模式PFM( Pul se Frequency Model) ,品質(zhì)因數(shù)表示如下:

LLC 諧振網(wǎng)絡(luò)需要兩個磁性元件Lr 和Lm。

然而,考慮到高頻變壓器實際結(jié)構(gòu),可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一個變壓器內(nèi),利用變壓器的漏感作為Lr , 利用變壓器的磁化電感作為Lm , 這樣一來,可以大大減少磁性元件數(shù)目。 在設(shè)計時,只要重點設(shè)計變壓器的漏感與變壓器磁化電感即可。 因此, 為增加漏感, 需要在變壓器中加入適當(dāng)?shù)臍庀?,并且控制變壓器原、副邊的繞線方式可以提高品質(zhì)因素。
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1. 2  LLC 的數(shù)學(xué)模型分析
通過上述分析,由圖1 的LLC 諧振變換器的原理圖得其LLC 等效模型如圖2 所示。


圖2  LLC 原理圖的等效模型圖


電壓傳遞函數(shù)為:

其中:,Q 為品質(zhì)因數(shù)。

利用MA TIAB 對該模型進行仿真,可以初步分析出其工作特性如圖3 所示。 其中f s 為啟動頻率( Start Frequency) f r 為諧振頻率( ResonantFrequency)。


圖3  LLC 諧振工作特性。


從圖3 中可以看到,在整個頻率圍內(nèi),既有降壓的工作區(qū)域(M < 1) ,也有升壓的工作區(qū)域( M >1) ,此LLC 諧振有著較大的應(yīng)用范圍。 在輕負載時,工作頻率逐漸升高, 工作在降壓區(qū)域內(nèi); 而在重負載時, 工作頻率逐漸降低, 工作在升壓區(qū)域內(nèi)。 由圖3 可知, 串聯(lián)諧振的工作區(qū)域應(yīng)該為f s / f r > 1 ,才能工作在ZVS 的狀態(tài)。 在不同負載下,為獲得ZVS 的工作條件, 只要使之工作在f s / f r > 1的右側(cè)即可。 而LLC 諧振不僅僅局限于f s / f r > 1 的區(qū)域, 在某些負載下可以工作在f s / f r < 1區(qū)域。 同樣可以獲得零電壓轉(zhuǎn)換的工作狀況。 并且與串聯(lián)諧振相比,在不同負載時的頻率變化范圍更小。
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1. 3  LLC 諧振變換器的時序分析
LLC 諧振變換器由兩個主開關(guān)管Q1 和Q2 構(gòu)成,其驅(qū)動信號是占空比固定為0. 5 的互補驅(qū)動信號。 為了保證原邊功率MOS 管的ZVS , 副邊二極管的ZCS(Zero Current Switch) 都可以實現(xiàn),工作頻率在f 2 < f ≤f 1 時, 其工作波形圖如圖4 所示。 從圖中可以看出LLC 變換器工作在半個周期內(nèi)可以分為三個工作模式。

模式1 (t0 - t1):兩個開關(guān)管(Q1 、Q2 ) 都截止,Q1 的反向二級管導(dǎo)通續(xù)流, Lr 上的電流逐漸減小,變壓器產(chǎn)生感生電流,向負載供電。 反向二極管的導(dǎo)通將Q1兩端的電壓鉗位在零。

模式2 (t1 - t2):Lr 上的電流在t1 時刻減小到零,Q1 在此時刻導(dǎo)通, Lr 上的電流反向增大, 達到峰值后減小。 Lm 上的電流先減小,然后反向增加。

可以看出,t1 時刻由于Q1 的反向二極管的鉗位作用,Q1 的導(dǎo)通電壓為零。 此階段只有Lr 和Cr 進行諧振。


圖4  工作時序波形圖


模式3 (t2 - t3):Lm 上的電流在t2 時刻與Lr上的電流相等,此時流過變壓器的電流為零,負載與變壓器被隔離開。Q1 在此時刻關(guān)斷,Q2的反向二極管導(dǎo)通續(xù)流。 此階段Lm 也加入到諧振部分, 與Lr 和Cr 串聯(lián)組成諧振回路。

在下半個周期中, 電路的工作與上半個周期剛剛相似,只是方向相反。整個周期的電路工作波形:在上半個周期中,開關(guān)管Q1 為零電壓導(dǎo)通, 而Q1 在t3 時刻的關(guān)斷電流im 很??; 在下半個周期中,開關(guān)管Q2 為零電壓導(dǎo)通,而Q2 在t6 時刻的關(guān)斷電流im 很小,所以Q1 、Q2 工作時的開關(guān)損耗很小。

2  充電器硬件設(shè)計

經(jīng)過上面的分析,設(shè)計中采用電流、電壓負反饋的方法來達到恒流、恒壓充電的目的,充電器硬件原理框圖如圖5 所示。


圖5  充電器的硬件原理框圖


交流電經(jīng)過濾波整流后,流向NCP1653,由其提供PFC(Power Factor Correction) 操作,NCP1653是一款連續(xù)導(dǎo)通型(CCM) 的功率因數(shù)校正( PFC) 升壓式的上升控制電路, 它的外圍元器件數(shù)量很少,有效地減少了升壓電感的體積, 減小了功率MOS管的電流應(yīng)力,從而降低了成本,且極大地簡化了CCM 型的PFC 的操作,它還集成了高可靠的保護功能。 NCP1396 電路為整個硬件電路提供保護(包括有反饋環(huán)路失效偵測、快速與低速事件輸入,以及可以避免在低輸入電壓下工作的電源電壓過低偵測等) ,NCP1396 的獨特架構(gòu)包括一個500 kHz 的壓控振蕩器,由于在諧振電路結(jié)構(gòu)中避開諧振尖峰相當(dāng)重要,因此為了將轉(zhuǎn)換器安排在正確的工作區(qū),NCP1396 內(nèi)置了可調(diào)整且精確的最低開關(guān)頻率,通過專有高電壓技術(shù)支持。 應(yīng)用S3F84K4 單片機實現(xiàn)智能充電器控制。
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3  軟件設(shè)計

為滿足充電要求, 該充電器軟件設(shè)計除了完成充放電控制外, 還具有過流保護、過壓保護、過溫保護、短路報警等功能模塊。主程序流程圖如圖6 所示。


圖6  主程序流程圖。


程序開始執(zhí)行后, 首先進行初始化并檢測電池電壓、電流、溫度等信息是否正常。 如正常則進入下一步。 否則報警并關(guān)閉電路。 如果電池電壓在充電終止電壓和放電終止電壓之間, 說明電池既可充電也可放電。 此時電路將判斷接上充電機還是接上負載。 以進行相應(yīng)的充電和放電。 如果兩者都沒有接則循環(huán)檢測過程。 若電池電壓已經(jīng)到達充電終止電壓。 則等待負載的接入進行放電;同樣若電池電壓己經(jīng)達到放電終止電壓,則等待充電器的接入以進行充電。 在整個過程中,該電路將始終實時檢測電池信息,若有異常情況發(fā)生,則立即利用中斷信號終止正在進行的充電或者放電過程,關(guān)斷充放電回路,同時進行報警并提示報警原因。

4  測試結(jié)果

本充電器的各項指標(biāo)如下:

  • 輸入電流:50/ 60 Hz。
  • AC/ DC 輸出電壓48 :V , AC/ DC 輸出電流:5. 0 A。
  • 恒流充電電流:4. 5 A。
  • 恒壓充電電壓:45 V (AC)。
  • 環(huán)境溫度: - 5~45 ℃。


經(jīng)分析, 按上述設(shè)計和分析結(jié)果, 最后選定LLC 的參數(shù)Cr = 0. 043 055μF,Lr = 72. 636 09μH,Lm = 435. 816 5μH。

本智能充電器經(jīng)測試,充電保護措施可靠,充電狀態(tài)準(zhǔn)確,充電時間約為6 h ,如果需要進一步縮短充電時間,只需在初始化時設(shè)定更大的充電電流即可。 因為采用PWM 控制器,所以,充電效率可以達到92 %以上,最低時在85 %左右。根據(jù)實際需要,要想達到理想的充電效率,對充器件做進一步的精確要求。

5  結(jié) 語

在智能充電器控制系統(tǒng)設(shè)計過程中,主要側(cè)重點是保證充電器對充電電池電壓的精確控制,設(shè)計中元器件的選型也都是圍繞著這個重點來完成的經(jīng)過實驗電路的實際測試,由電源變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路構(gòu)成AC/ DC 變換電路。 在NCP1653 、NCP1396 與S3F84 K4 的配合控制下可實現(xiàn)很高的系統(tǒng)精度。

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