快速充電用AC/DC電源設(shè)計

作者　 侍佳奇 許路 上海大學(xué)(上海 200072)

　　*2017“羅姆杯”上海大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計大賽最佳設(shè)計獎

摘要：提出了一種新型快速充電策略，并設(shè)計和制作了可滿足12 V/40 Ah鋰電池組快速充電需求的高功率密度AC/DC電源，介紹了AC/DC電源拓撲結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵元件選型及參數(shù)計算。快速充電器輸入PF大于0.98，額定工作點效率大于90%。可實現(xiàn)12.8 V/40 Ah鋰電池組3小時內(nèi)100%SoC快速充電^[1]。

0 引言

　　鋰蓄電池組自身具備大電流充放電能力，常規(guī)快速充電技術(shù)可以實現(xiàn)電動汽車等機動儲能設(shè)備的應(yīng)急電能補充，但在鋰電池充電后期單節(jié)電池充電不平衡、快速充電器體積過大不宜便攜。本項目設(shè)計的快速充電器樣機體積小于8安培常規(guī)充電器，采用大電流充電+單節(jié)電池并聯(lián)浮充模式，鋰電池組可在2小時完成快速均衡充電。

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展、高頻開關(guān)器件的誕生，開關(guān)電源向著高頻化、集成化和模塊化的方向發(fā)展。提高開關(guān)頻率能夠減小裝置體積，提高設(shè)備的功率密度減小電源體積。諧振變換器由于其能實現(xiàn)軟開關(guān)，有效地減小了開關(guān)損耗，使得頻率能進一步提高，所以在高頻功率變換領(lǐng)域得到廣泛的重視和研究^[1]。為此本文設(shè)計了一款PFC+LLC帶有同步整流的快速充電系統(tǒng)設(shè)計。整機功率密度和效率優(yōu)于市售同類產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

　　1.1 總體方案

　　快速充電器樣機采用PFC+LLC+SR拓撲，電路如圖1所示。PFC電路工作在CCM模式，開關(guān)頻率65 kHz。電路選用羅姆公司SCS206AG碳化硅二極管，其反向恢復(fù)電流小于50微安，CCM模式可以有效減小共模濾波器的體積及MOSFET電流應(yīng)力。PFC電路輸出電壓390 V。LLC諧振變換器控制芯片采用安森美公司NCP1399，其為電流模式的諧振控制器，較傳統(tǒng)的電壓模式控制器有著更好的動態(tài)響應(yīng)以及快速穩(wěn)定諧振腔的啟動順序和低的輕載損耗^[3]?；贗R1168的同步整流電路有效提高整機效率。

　　1.2 AC/DC電源樣機基本參數(shù)：

　　輸入電壓：AC 85~265 V

　　輸入頻率：47~63 Hz

　　輸出電壓：DC 14.6 V

　　輸出電流：額定值15 A(限流值20 A)

　　PF值：0.98+

　　效率：0.90(額定負載)

　　紋波電壓：30 mV(RMS)，50 mV(Vpp)

　　1.3 參數(shù)計算及元件選型

　　1.3.1 PFC參數(shù)計算及元器件選擇

　　交流平均最大輸出電流：

　　鐵芯材料可選取具有分布氣隙的鐵粉芯，鐵硅鋁或者磁粉芯(MPP)，鐵粉芯價格最低但是損耗太大不適合用作PFC電感;磁粉芯(MPP)損耗小但是價格較高，在一般應(yīng)用中不太適合。鐵硅鋁價格適中，損耗比磁粉芯大，但比鐵粉芯小很多一般應(yīng)用可以接受。本次設(shè)計中選用美磁公司的環(huán)形鐵芯(0077930A7)。

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　　MOS管選擇ROHM公司的R6007KNJ，其結(jié)電容較小可以減小MOS的開關(guān)損耗。小電流的MOS管通態(tài)電阻較大(0.7 Ω)可以選擇兩個并聯(lián)減小通態(tài)損耗。二極管選擇ROHM公司的碳化硅二極管SCS206AG，由于碳化硅二極管不存在反向恢復(fù)問題。在連續(xù)模式的PFC中，二極管關(guān)斷之前存在較大流通電流，如果使用傳統(tǒng)快恢復(fù)二極管或者超快恢復(fù)二極管由于其反向恢復(fù)特性會導(dǎo)致瞬間較大的直通電流，造成二極管損耗變大并且電磁干擾大。控制芯片選用TI的UCC28019，這是一款寬范圍電壓輸入的頻率固定的PFC專用芯片，帶有過壓和欠壓保護，并且具有逐周期電流檢測的限流功能。

　　1.3.2 LLC參數(shù)計算

　　設(shè)定開關(guān)頻率85 K~220 K(諧振頻率100 K)

　　匝比計算：

　　變壓器磁芯選擇TDK PC95鐵芯，考慮變壓器鐵芯高頻損耗，取鐵芯最大磁通密度幅500 Gs。其鐵芯損耗曲線見圖2，利茲線繞組設(shè)計保證200 kHz時導(dǎo)線交流電阻和直流電阻一致^[4]。

　　趨膚深度： (15)

　　導(dǎo)線直徑d=2r≈0.3 mm ，導(dǎo)線截面積S=πr²=0.0688 mm²

　　二次側(cè)電流最大為15 A，自然風(fēng)冷的情況下取4 A/mm²，電流則需3.725 A。需要的股數(shù)為。故利茲線可選取0.3*50股。

　　選擇羅姆公司功率場效應(yīng)管SCT3080AL，Qgs僅為14 nC，通態(tài)電阻小于80 mΩ。控制芯片采用NCP1399。

　　1.3.3 同步整流及輔助電源設(shè)計

　　采用羅姆公司RD3L08CNG實現(xiàn)輸出同步整流,其通態(tài)電阻小于7 mΩ(10 V驅(qū)動電壓)通態(tài)損耗可較二極管輸出大大減小。同步整流驅(qū)動芯片采用IR公司的IR1168S,其最大開關(guān)頻率為500 K，具有輸出電壓箝位功能，驅(qū)動峰值電流達4A。

　　采用羅姆公司的BM2P039,該芯片內(nèi)部集成了MOS可高壓啟動，并且?guī)в姓{(diào)頻功能可減小EMI干擾減小空載損耗。

　　1.3.4 保護電路

　　系統(tǒng)具有過溫過流保護，實時監(jiān)測二次側(cè)采樣電阻電壓，經(jīng)光耦反饋至一次側(cè)控制單元實現(xiàn)過流保護。目前專用IC可以直接檢測一次側(cè)電流實現(xiàn)過流保護。

　　采用熱敏電阻等溫度傳感器檢測電源關(guān)鍵發(fā)熱點溫度，實現(xiàn)過溫保護。

2 樣機測試

　　滿載工況(14.6 V，15 A輸出)下，電源輸入電壓電流波形如圖3所示，實測PF值大于0.98。電源效率如表1所示。

　　12.8 V/40 Ah磷酸鐵鋰蓄電池組充放電循環(huán)實驗，鋰電池組100%SoC浮充電壓及恒流放電電量對比如圖4所示。

　　對比常規(guī)充電方式，快速充電+并聯(lián)浮充的充電方案能夠在3小時內(nèi)完成100%SoC充電，磷酸鐵鋰蓄電池組推薦浮充電壓14.6 V，采用并聯(lián)浮充方式可以保證單節(jié)電池浮充電壓為3.65V，完成充電后蓄電池組開路電壓平均值13.999。15 A恒流平均放電時間9361.429 s，等效容量39 Ah。8 A常規(guī)充電，充電時間接近6小時，相同浮充電壓(14.6 V)下，蓄電池組平均開路電壓13.448 V，有效平均放電時間8897.143 s，等效容量37 Ah。

　　參考文獻：

　　[1]B Yang.Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System,2003.

　　[2]UCC28019 Datasheet[DB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ucc28019.pdf.

　　[3]NCP1399 Datasheet[DB/OL].https://www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1399-D.PDF.

　　[4]趙修科 《開關(guān)電源中磁性元器件》 2004

　　[5]SCT3080AL Datasheet[DB/OL].http://www.rohm.com.cn/web/china/datasheet/SCT3080AL/sct3080al-e.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第49頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。