《武汉工程大学学报》 2009年05期
80-83
出版日期：2009-05-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于LLC的大功率智能充电器研究
0引言充电器与人们的日常生活密切相关，充电器充电性能的好坏与被充电池的使用寿命、充电效率等息息相关.由于外界温度变化，电网电压波动，因而大大降低了充电器充电性能的稳定性，这就需要有一种能自我调节的系统，遇到外界的干扰能实时做出回应，保证充电的稳定性，不损坏被充电的电池.智能控制在此能提供一种很好的解决方案\[1\].电源行业已经开始在其产品中运用智能控制，通过单片机的编程对过压、过流情况做出判断，为电池提供保护.LLC谐振变换器在充电器的运用也是越来越多，LLC谐振变换器的拓扑本身具有一些优越的性能，可以实现原边开关管在全负载下的零电压软开关（ZVS（Zero Voltage Switch）），副边整流二极管电压应力低，因此高输出电压的情况下可以实现较高的效率等.这使得LLC谐振变换器特别适合高输出电压的应用场合.今后电源的发展方向是用单片机来完成所有功能，包括:脉宽调控、反馈、过压过流保护等等［2］.下面介绍的就是一款应比亚迪公司（BYD）的要求，设计出的一种基于单片机的智能充电器.该充电器对充电过程进行智能控制，系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏.1LLC谐振变换器本充电器设计中要考虑整流滤波、能量转换，电路保护、软件设计等.而LLC谐振变换器是能量转换中最重要的部分，关系到充电器性能的好坏.下面着重介绍其基本结构、数学模型及时序分析.1.1LLC谐振变换器的基本结构图1所示为LLC谐振变换器的原理图.串联谐振电感Lr、串联谐振电容Cr和并联谐振电感Lm，构成LLC谐振网络，Cr也起到隔直作用\[3\].在变压器次级，整流二极管直接连接到输出电容Co上.
图1LLC谐振变换器的原理图
Fig.1Principle picture of resonat converter about LLC当发生谐振时，LC的本征谐振频率为f1=1/(2πLrCr)(1)当Lr，Cr和Lm发生谐振时，LLC本征谐振频率为f2=1/(2π(Lm+Lr)Cr)(2)由式（1）、（2）可知f1＞f2,当负载RL变化时，可以调节开关（Q1、Q2）频率在f1和f2间变化，使品质因数达到最大.利用这种特性，可以方便地实现脉冲频率模式PFM(Pulse Frequency Model)，品质因数表示如下：Q=Lr/CrRL(3)LLC谐振网络需要两个磁性元件Lr和Lm.然而，考虑到高频变压器实际结构，可以把磁性元件Lr和Lm集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为Lr，利用变压器的磁化电感作为Lm，这样一来，可以大大减少磁性元件数目.在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压器磁化电感即可.因此，为增加漏感，需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原、副边的绕线方式可以提高品质因素.第5期杨帆，等：基于LLC的大功率智能充电器研究
武汉工程大学学报第31卷
1.2LLC的数学模型分析通过上述分析，由图1的LLC谐振变换器的原理图得其LLC等效模型如图2所示. 图2LLC原理图的等效模型图
Fig.2Equivalent model of LLC principle picture电压传递函数为
M(S)=LmZoCrS2LrCrLmS3+(LrCrZo+LmCrZo)S2+LmS+Zo
=n2(sωo)2(π28)Q(sωo)3+(1+λ)n2(sωo)2+(π28)Q(sωo)+n2λ(4)
其中：Zo=8n2n2RL，λ=LrLm，ωo=1LrCrQ为品质因数.利用MATIAB对该模型进行仿真，可以初步分析出其工作特性如图3所示.其中fs为启动频率（Start Frequency）fr为谐振频率（Resonant Frequency）.图3LLC谐振工作特性
Fig.3Operational factor about LLC resonant从图3中可以看到，在整个频率围内，既有降压的工作区域（M<1），也有升压的工作区域（M>1），此LLC谐振有着较大的应用范围.在轻负载时，工作频率逐渐升高，工作在降压区域内；而在重负载时，工作频率逐渐降低，工作在升压区域内.由图3可知,串联谐振的工作区域应该为fs/fr＞1，才能工作在ZVS的状态.在不同负载下，为获得ZVS的工作条件，只要使之工作在fs/fr＞1的右侧即可.而LLC谐振不仅仅局限于fs/fr＞1的区域，在某些负载下可以工作在fs/fr＜1区域.同样可以获得零电压转换的工作状况.并且与串联谐振相比，在不同负载时的频率变化范围更小.1.3LLC谐振变换器的时序分析LLC谐振变换器由两个主开关管Q1 和Q2 构成，其驱动信号是占空比固定为0.5的互补驱动信号.为了保证原边功率MOS管的ZVS, 副边二极管的ZCS（Zero Current Switch）都可以实现,工作频率在f2＜f≤f1时,其工作波形图如图4所示.从图中可以看出LLC变换器工作在半个周期内可以分为三个工作模式\[4\].模式1(t0-t1 )：两个开关管(Q1、Q2)都截止，Q1的反向二级管导通续流，Lr上的电流逐渐减小，变压器产生感生电流，向负载供电.反向二极管的导通将Q1两端的电压钳位在零.模式2(t1-t2)：Lr上的电流在t1时刻减小到零，Q1在此时刻导通，Lr上的电流反向增大，达到峰值后减小. Lm上的电流先减小，然后反向增加.可以看出，t1时刻由于Q1的反向二极管的钳位作用，Q1的导通电压为零.此阶段只有Lr和Cr进行谐振.图4工作时序波形图
Fig.4Wave form pursues job sequence模式3(t2-t3)：Lm上的电流在t2时刻与Lr上的电流相等，此时流过变压器的电流为零，负载与变压器被隔离开.Q1在此时刻关断，Q2的反向二极管导通续流.此阶段Lm也加入到谐振部分，与Lr和Cr串联组成谐振回路.在下半个周期中，电路的工作与上半个周期刚刚相似，只是方向相反.整个周期的电路工作波形：在上半个周期中，开关管Q1为零电压导通，而Q1在t3时刻的关断电流im很小；在下半个周期中，开关管Q2为零电压导通，而Q2在t6时刻的关断电流im很小，所以Q1、Q2工作时的开关损耗很小.2充电器硬件设计经过上面的分析，设计中采用电流、电压负反馈的方法来达到恒流、恒压充电的目的，充电器硬件原理框图如图5所示.图5充电器的硬件原理框图
Fig.5The charger hardware principle block diagram交流电经过滤波整流后,流向NCP1653，由其提供PFC（Power Factor Correction）操作，NCP1653是一款连续导通型（CCM）的功率因数校正（PFC）升压式的上升控制电路, 它的外围元器件数量很少，有效地减少了升压电感的体积，减小了功率MOS管的电流应力,从而降低了成本,且极大地简化了CCM型的PFC的操作,它还集成了高可靠的保护功能.NCP1396电路为整个硬件电路提供保护（包括有反馈环路失效侦测、快速与低速事件输入，以及可以避免在低输入电压下工作的电源电压过低侦测等），NCP1396的独特架构包括一个500 kHz的压控振荡器，由于在谐振电路结构中避开谐振尖峰相当重要，因此为了将转换器安排在正确的工作区，NCP1396内置了可调整且精确的最低开关频率，通过专有高电压技术支持.应用S3F84K4单片机实现智能充电器控制.3软件设计为满足充电要求，该充电器软件设计除了完成充放电控制外，还具有过流保护、过压保护、过温保护、短路报警等功能模块\[5\].主程序流程图如图6所示.图6主程序流程图
Fig.6Master routine flow chart程序开始执行后，首先进行初始化并检测电池电压、电流、温度等信息是否正常.如正常则进入下一步.否则报警并关闭电路.如果电池电压在充电终止电压和放电终止电压之间，说明电池既可充电也可放电.此时电路将判断接上充电机还是接上负载.以进行相应的充电和放电.如果两者都没有接则循环检测过程.若电池电压已经到达充电终止电压.则等待负载的接入进行放电；同样若电池电压己经达到放电终止电压，则等待充电器的接入以进行充电.在整个过程中，该电路将始终实时检测电池信息，若有异常情况发生，则立即利用中断信号终止正在进行的充电或者放电过程，关断充放电回路，同时进行报警并提示报警原因.4测试结果本充电器的各项指标如下：(1)输入电流：50/60 Hz.(2)AC/DC输出电压48:V，AC/DC输出电流:5.0 A.(3)恒流充电电流：4.5 A.（4）恒压充电电压：45 V（AC）.（5）环境温度:-5~45 ℃.经分析，按上述设计和分析结果，最后选定LLC的参数Cr=0.043 055 μF，Lr=72.636 09 μH，Lm=435.816 5 μH.本智能充电器经测试，充电保护措施可靠，充电状态准确，充电时间约为6 h，如果需要进一步缩短充电时间，只需在初始化时设定更大的充电电流即可.因为采用PWM控制器，所以，充电效率可以达到92％以上，最低时在85％左右［6］.根据实际需要，要想达到理想的充电效率，对充器件做进一步的精确要求.5结语在智能充电器控制系统设计过程中，主要侧重点是保证充电器对充电电池电压的精确控制，设计中元器件的选型也都是围绕着这个重点来完成的 经过实验电路的实际测试，由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路构成AC／DC变换电路.在NCP1653、NCP1396与S3F84K4的配合控制下可实现很高的系统精度.