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LLC实现大功率智能充电器

发布时间:2020-06-30 21:02:57 阅读: 来源:排污泵厂家

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。下面介绍的就是一款应比亚迪公司(B YD) 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。

1 LLC 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. 1 LLC 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1 LLC 谐振变换器的原理图

当发生谐振时,LC 的本征谐振频率为:

当Lr , Cr 和Lm发生谐振时,LLC 本征谐振频率为:

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( Pul se Frequency Model) ,品质因数表示如下:

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。

1. 2 LLC 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2 LLC 原理图的等效模型图

电压传递函数为:

其中:

Q 为品质因数。

利用MA TIAB 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f s 为启动频率( Start Frequency) f r 为谐振频率( ResonantFrequency)。

图3 LLC 谐振工作特性。

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f s / f r > 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f s / f r > 1的右侧即可。 而LLC 谐振不仅仅局限于f s / f r > 1 的区域, 在某些负载下可以工作在f s / f r 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. 3 LLC 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f 2 f ≤f 1 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。

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

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

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。主程序流程图如图6 所示。

图6 主程序流程图。

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 055μF,Lr = 72. 636 09μH,Lm = 435. 816 5μH。

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