LLC實現(xiàn)大功率智能充電器

　　引 言

　　充電器與人們的日常生活密切相關，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。下面介紹的就是一款應比亞迪公司(B YD) 的要求，設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

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

　　1. 1 LLC 諧振變換器的基本結構

　　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 ,構成LLC 諧振網(wǎng)絡， 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

　　當發(fā)生諧振時，LC 的本征諧振頻率為：

　　當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 ,當負載RL 變化時，可以調(diào)節(jié)開關(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)絡需要兩個磁性元件Lr 和Lm。

　　然而，考慮到高頻變壓器實際結構，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。 在設計時，只要重點設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?shù)臍庀叮⑶铱刂谱儔浩髟?、副邊的繞線方式可以提高品質(zhì)因素。

　　1. 2 LLC 的數(shù)學模型分析

　　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。

　　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管Q1 和Q2 構成，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)：兩個開關管(Q1 、Q2 ) 都截止，Q1 的反向二級管導通續(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 在此時刻關斷，Q2的反向二極管導通續(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，開關管Q1 為零電壓導通， 而Q1 在t3 時刻的關斷電流im 很小; 在下半個周期中，開關管Q2 為零電壓導通，而Q2 在t6 時刻的關斷電流im 很小，所以Q1 、Q2 工作時的開關損耗很小。

　　2 充電器硬件設計

　　經(jīng)過上面的分析，設計中采用電流、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 的獨特架構包括一個500 kHz 的壓控振蕩器，由于在諧振電路結構中避開諧振尖峰相當重要，因此為了將轉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頻率，通過專有高電壓技術支持。 應用S3F84K4 單片機實現(xiàn)智能充電器控制。

3 軟件設計

　　為滿足充電要求， 該充電器軟件設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，關斷充放電回路，同時進行報警并提示報警原因。

　　4 測試結果

　　本充電器的各項指標如下：

　　(1) 輸入電流：50/ 60 Hz。

　　(2) AC/ DC 輸出電壓48 :V , AC/ DC 輸出電流：5. 0 A。

　　(3) 恒流充電電流：4. 5 A。

　　(4) 恒壓充電電壓：45 V (AC)。

　　(5) 環(huán)境溫度： - 5~45 ℃。

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