不同功率器件在充電樁三相LLC拓撲中的應用探討

                                                                                                    圖1.新能源汽車充電樁基本結構

新能源汽車的發展，對充電樁提出了高功率密度、大功率以及高效率等需求。LLC諧振變換器的軟開關特性可以在全負載範圍內實現原邊開關管的零電壓導通（Zero-Voltage Switching,ZVS）和副邊二極體的零電流關斷（Zero-Current Switching, ZCS），在維持高效率的同時提高工作頻率，減小被動元件體積，增加功率密度[5-7]。交錯並聯技術可以在保證開關管工作頻率不變的前提下，減小輸入輸出電流的紋波，從而減小濾波電容體積。但元器件參數差異會導致模塊間出現不均流現象，而Y型連接的三相LLC變換器可以有效改善相間不均流的問題[8,9]。並由於模塊增加等，三相LLC變換器的通流能力增加，實現大功率、高功率密度的目標。大功率充電樁可以節省充電時間，滿足客戶的使用需求。因此，30千瓦充電樁的市場占比越來越大。

圖2為新能源汽車主流的400V和800V鋰電池的充放電曲線。為同時匹配不同電池，充電模塊工作範圍很寬：200~1000V。這要求三相LLC諧振變換器具有寬範圍調節的能力，文章採用變壓器副邊串並聯方式進行寬範圍調節。

                                                                                          圖2.30kW新能源汽車鋰電池充放電曲線

文章基於30kW的三相LLC諧振變換器，結合實際的寬範圍應用需求，進行兩種拓撲原理分析和參數設計，並通過PLECS軟體進行電氣、損耗和熱特性的仿真分析，重點對比了三種主流功率器件：Si MOSFET(650V/CFD7)、IGBT(650V/H5)和SiC MOSFET(1200V)，在三相LLC中的表現。


2. 三相LLC諧振變換器

                                                                                       圖3.三相LLC諧振變換器結構框圖

三相LLC變換器直流母線常採用800V電壓等級，針對功率器件的電壓等級存在兩種解決方案。第一種為兩個650V器件模塊串聯，第二種為1200V器件單模塊使用。由於電路寬範圍輸出的需求，三相LLC諧振變換器副邊的二極體整流橋需要進行串並聯切換。並聯時輸出電壓為單模塊輸出電壓(200~500V)，串聯時輸出電壓為兩倍單模塊輸出電壓(500~1000V)。結合原邊兩種器件拓撲方案，以及副邊的整流橋串並聯方案，可以得到三相LLC諧振變換器的兩種拓撲方案，如圖4和圖5所示。

                                                                                                         圖4.650V開關管三相LLC諧振變換器

其中，Cra、Crb、Crc是諧振電容，值為Cr；Lra、Lrb、Lrc是諧振電感，值為Lr；Lma、Lmb、Lmc是勵磁電感，值為Lm。圖4中的Q1~Q12為650V開關管，圖5中的Q1~Q6為1200V開關管。S1~S3為切換整流模塊串並聯狀態的開關器件。

                                                                                                                  圖6.基波等效電路

其中，vab為諧振腔的交流輸入，vcd為變壓器副邊的交流輸出，isr為變壓器副邊的諧振電流。在等效電路中，交流變量vab、vcd和isr通過泰勒級數展開可以得到其基波分量：

輸出等效阻抗Ro eq可以定義為：

將輸出等效阻抗折算到原邊，如圖6(b)所示，此時等效阻抗Req為：