目录

1. 概述. 1

1.1    DCC_LLC规格参数. 1

2. 原理. 1

2.1 DCC_LLC线路图. 1

2.2 CLLC电压和电流波形. 2

3. DCC_LLC 参数计算. 3

3.1 计算原理. 3

3.2应用到的注释. 4

3.3 计算步骤. 5

3.4 选型结果. 6

4. 参考资料. 7

1. 概述

电动和油电混合动力汽车在通用平台基础上设计，电子器件部分沿用传统汽车 12V 平台器件，因此还需要从高压电池组转换成低压14V（铅酸电池满电电压）的恒压值。就需要一个核心器件 DCC，无论你酷炫的车灯，还是动听的音箱，眼花缭乱的仪表，都需要这个在汽车某个角落默默支持的强大电源 DCC，是它将高压转换成 14V 电源，当你吹着空调，在安静夜晚开着大灯听着音乐开车在路上时候，这个强大的电源需要输出 200A 左右的电流，支撑着全车低压电器供电，当车辆关闭较多电器，静止在路边时候，DCC只输出几安培到几十安培电流，并且要保障可靠的工作。以下是 DCC 采用 LLC 架构设计计算过程。

1.1  DCC_LLC规格参数

2. 原理

2.1 DCC_LLC 线路图

DCC_LLC 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。逆变时候主要推挽实现高边电压的爬升，由于逆变只考虑给电容预充电电路不做特别计算。

图 1 LLC线路示意图

2.2 CLLC 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 LLC 半桥电压和谐振电流波形

3. DCC_LLC 参数计算

3.1 计算原理

图 3 LLC 谐振变换等效图

步骤 1 电源的一次谐波近似值 Vin（FHA） 可以用下面方程式表达：

   Vin（FHA）（t）=4/π * VDC * Sin（2πfswt）

步骤 2 负载端变压器输出电压近似方波：

   Voe（t）=4/π * n * Vo * Sin（2πfswt-φ）

步骤 3 负载端变压器输出电流：

   Ioe（t）=π/2 * （1/n） * Io * Sin（2πfswt-φ）

步骤 4 交流阻抗 Re :

     Re= Voe（t）/ Ioe（t）=8 * n²/π² * Ro

步骤 5 输入对输出的电压增益 Mpfm ：

   Mpfm=nVo / VDC =|m * fn²/{[(m+1) * fn²-1]+j * Qe * mfn *(fn²-1)}

步骤 6 表达式中的各项式：

Qe =1/ Re * （Lr/Cr）

M =Lm/Lr

fn= fsw / fr

fr=1 /2π* （Lr/Cr）

图4 PFM 下的增益曲线

步骤 7 在 PWM 条件下可以获得更大的增益。此时的表达式：

   Vin（FHA）（t）=[1-cos（2π * d）]/π * VDC * Sin（2πfswt）

   Vpwm = [1-cos（2π * d）] * Mpfm

由于需要软开关，占空比需要大于 0.3 。

3.2应用到的注释

Vin（FHA）       电源的一次谐波近似值

VDC         输入直流电压

Voe         输出等效交流电压

Vo                输出电压

Ioe         输出等效交流电流

Io                  输出电流

Re                  输出负载等效交流阻抗

Ro                  输出负载电阻

Mpfm                输入侧的电压增益（对输出）

Qe                  谐振回路的增益

M            励磁电感和谐振电感比

Fn          开关频率和谐振频率比值

Lr                 谐振电感

Cr                     谐振电容

Vpwm                   调占空比下的电压增益

n           理想变压器匝比

Mmin          电压增益最小值

Mmax          电压增益最大值

fmin                 频率最小值

fmax                 频率最大值

Lp                     原边总电感量

nreal                   实际变压器匝比

Vpwm                   调占空比下的电压增益

Np                     变压器原边匝数

Ns                     变压器次级匝数

Vo(ripple)      输出纹波电压

3.3 计算步骤

步骤 1 确定变压器的匝比 n 。

n=Vin-nom / Vout =380V/14V=27  

步骤 2 电压增益的最大值和最小值  

    Mmin= n * Vout /Vin-max =27 * 14V/480V=0.79

    Mmax= n * Vout /Vin-min =27 * 14V/200V =1.89

步骤 3 验证最小工作频率和最大工作频率。M 值取 6 计算发现 fmax 无解是因为频率不能无限升高，在达到设定的上限频率后 LLC 进入 PWM 模式。

fmin= fr / [1+M *（1-1/ Mmax²）]=110KHz / [1+6 *（1-1/ 1.89²）]=47.7KHz

fmax= fr / [1+M *（1-1/ Min）]=110KHz / [1+6 *（1-1/ 0.79）]= ？

步骤 4 计算等效电阻 Re 值。

    Re = 8n²/π² *( Vo/Io) =8 * 27²/π²* (14V/236A)=35.09Ω    

步骤 5 计算谐振电容的容值 ，Qe 值此处取0.36 。

    Cr = 1/（2πQefrRe）=1/（2π * 0.36 * 110KHz * 35.09Ω）=115nF

步骤 6 计算谐振电感感量 。

Lr = 1/[（2πfr）²Cr]= 1/[（2π* 110KHz）² * 115nF]= 18.2uH

步骤 7 计算变压器的主感量 。

    Lm=m * Lr = 6 * 18.2uH =109.2uH  

    实际应用中 Lr 取 18uH ，Lm取110uH ，谐振电容 Cr 取 115nF 。

步骤 8 变计算压器原边电感量 。

       Lp= Lm + Lr =110uH + 18uH=128uH  

步骤 9 变压器实际匝比，及绕线圈数计算如下。此处 ΔB 取 0.3，Ae 查 PQ50磁芯参数为 328 。

nreal= n （Lp/Lm）=27 （128uH/110uH）=29.1255

    Ns= Vo/（4fmin * ΔB * Ae）=14V/（4 * 44.7KHz * 0.3 * 328）=0.8

此处 Ns 取值 1

    Np= Ns * Nreal= 1 * 29.1255=29.1255

变压器原边匝数取 29 圈，次级匝数取 1 圈，原边电感量 128uH ，漏感作为谐振电感 18uH ，PQ5050 磁芯。

步骤 10   计算流经 MOS 的电流值，估算出输入和输出 MOS 损耗，由于流经 MOS 电流均为正弦波，并且处于软开关状态，没有开关损耗。 流经输出 MOS的电流有效值等于输出电流 Io 从而流经 MOS 电流有效值 236A ，P=I² * R 可以求得 MOS 损耗功率，此处选的 MOS 导通内阻 0.3 mΩ 每边 MOS 损耗功率为 1/2 。计算得 1/2 * 236A² * 0.3mΩ=8.35W，三颗 MOS 平均，每个耗散功率2.8W 。

    流经原边 MOS电流有效值等于输出电流 Io /n=236A/29=8.14A ,在工频周期内各工作一半时间，所选MOS内阻为 40mΩ。所以原边单个 MOS 导通损耗功率为 0.5 * 8.14A² * 0.04Ω=1.33W

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。

    C（min）= Io/(3.14 * 2 * fmin * Vo(ripple)) =236A/(3.14 * 2 * 47.7KHz * 0.14V)=5627.5uF

3.4 选型结果

4. 参考资料

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