CCU CLLLC 变压器功率MOS 选型计算

 

目录

  1. 概述. 1

1.1    规格参数. 1

  1. 原理. 1

2.1 CLLLC线路图. 1

2.2 CLLLC电压和电流波形. 2

  1. CLLLC 参数计算. 3

3.1 计算原理. 3

3.2 计算步骤. 7

3.3 选型结果. 9

  1. 参考资料. 9

1. 概述

随着汽车走近千家万户,汽车距离我们生活越来越近。开着汽车带着家人和朋友出去游玩成了大众生活的必备,在野外很多电器需要使用市电,带个电脑办公休闲,还是全家围着吃个火锅唱个歌,都是不错的选择。电动或者混动汽车储备电能的优势就发挥出来了。想利用好车上这块巨大的电池,还需要一个设备出马,就是逆变设备,我们在设计 OBC 的时候考虑了这个需求,让器件物尽其用,发挥最大的价值。汽车空间的紧凑结构就需要设备有尽可能小的体积,尽可能高的功率密度。因此对汽车 OBC 主功率线路提出较高的要求,由于充电和逆变不需要同时进行,因此考虑主功率线路共用,可以正向充电又可以在逆变时候反向逆变,主变压器 CLLLC 架构部分有了全新的要求,在工作时候需要适应正向的大跨度电池电压变化,又能适应逆变时大跨度的电压变化。而不需要额外线路用于功率部分的切换。以下提供了对称设计的思路和一定增益范围的计算。

1.1  规格参数

Maximum input voltage

420V

Minimum input voltage

340V

Nominal input voltage

400V

Maximum Output voltage

480V

Minimum Output voltage

200V

Output current

20A

Current limitation threshold

20A

Efficiency

96%

Maximum switching efficiency

250KHz

Minimum switching efficiency

70KHz

Resonant frequency

100KHz

 

2. 原理

2.1 CLLLC线路图

CLLLC 对称结构,是为了做逆变。通过 H 桥臂对角MOS的同步导通,上下MOS的交替导通,实现能量传入变压器和谐振电容,次级侧MOS同步导通实现同步整流。逆变时候原副边的MOS功能互换。

图 1 CLLC线路示意图

 

2.2 CLLLC电压和电流波形

    以下波形为半桥中点电压和谐振回路中电流波形,谐振回路中电流波形接近正弦波,处于完全谐振状态,此时MOS进行开启和关闭时候只要踏准节拍,可以完美的工作的 ZVS(Zero Voltage Switching),因此 MOS 此时开关损耗为零,只有导通损耗。

图2 CLLLC 半桥臂电压和电流波形


 

3. CLLLC 参数计算

3.1 计算原理


图 3 CLLLC 基波近似模型

步骤 1 电源的一次谐波近似值  可以用下面方程式表达:

步骤 2 负载端变压器输出电压近似方波:

步骤 3 负载端变压器输出电流:

步骤 4 交流阻抗 Req :

步骤 5 输入对输出的电压增益 Mg :

           表达式中定义:

步骤 6 标定内容:

步骤 7 CLLLC型谐振变换器增益 Mg可以如下表示:

   式中定义 A :

图 4 Ln=2 时的增益曲线

图 5 Ln=4 时的增益曲线

图 6 Ln=6 时的增益曲线

固定 Q 值,系统增益随着 Ln变化的增益曲线,减小 Ln 可以有效增大变换器最大增益。

图 7 Q=0.45 时的增益曲线

步骤 7 使用移项控制可以得到更大的增益。以下为移项控制开关时序图及谐振腔波形。该方式比 PWM 控制方式可以减小开关死区的损耗。

图 8 Q=0.45 时的增益曲线

    移相控制增益波形如下图,模拟不同负载下变换器增益 Mg 随着移相占空比 D 变化的波形图。从图中可以看出移相控制时 CLLLC 变换器增益 Mg 随着占空比 D 增加而单调递增,不同负载会影响增益特性曲线变化率。

图 9 移相控制增益波形

 

应用到的注释:

Vab          电源电压

Vcd          负载端方波电压

Icd          负载端电流

Req                 输出负载等效交流阻抗

Ro                   输出负载电阻

Mg                   输入侧的电压增益(对输出)

Q                     谐振回路的增益

Ln            励磁电感和谐振电感比

fn            开关频率和谐振频率比值

Lr1                    原边谐振电感

Lr2                    次级谐振电感

Lm                    励磁谐振电感

Cr1                      原边谐振电容

Cr2                      次级谐振电容

n            理想变压器匝比

Vo(ripple)       输出纹波电压

3.2 计算步骤

步骤 1 确定变压器的匝比 n 。

步骤 2 电压增益的最大值和最小值   

    取 1.1倍增益裕度,对应的

步骤 3 Ln 和 Q 的选取;

    根据下图中,按照调压变换器的设计,选取 Q=0.45 ,Ln=4 。

图 10 Q=0.45 时增益曲线

图 11 Ln=4,Q=0.45 时工作区间

步骤 4 计算等效电阻 Req 值。由于 DC 输出限制最大 20A,等效电阻的最小值点为电流的最大值点。

步骤 5 计算谐振电容的容值 ,fr 取值 100KHz 。

步骤 6  计算谐振电感感量 。

步骤 7  计算原边励磁电感 Lm 。

步骤 8  原边电流值 Ipri 。

步骤 9  逆变状态时,最大6KW,输出电压恒定320V,电流最大值 18.75A 。

步骤 10  

    正向条件下流过MOS的电流值25.5A,MOS 损耗功率为:

    逆变状态高压电池组侧功率MOS承受的电流值18.51A,MOS 损耗功率为:

步骤 11  计算输出电容最小容量。在满功率时候,输出纹波选取 1% 的纹波峰峰值。实际选取值大于5627.5uF即可。

3.3 选型结果

器件

规格

特征1

特征2

 

CLLLC

73.5uH

96uH

294uH

 

MOS选型

TK040N65Z

大于50A

耐压 650V

 

谐振电容

345nF

264nF

 

 

输出滤波电容

5uF * 5

800V

 

 

 

4. 参考资料

《多模态控制 CLLLC谐振变换器的研究》李鹏谦

 

 

文件标识

PFC 选型

当前版本

V1.0

日期

2020-09-08

作者

Allon Qiao

联系方式

atu.cn@wpi-group.com

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