完整的谐振电路LLC实现大功率智能充电器

充电器与人们的日常生活密切相关，充电器充电性能的好坏与被充电池的使用寿命、充电效率等息息相关。下面介绍的就是一款应比亚迪公司(B YD) 的要求，设计出的一种基于单片机的智能充电器。该充电器对充电过程进行智能控制，系统中的管理电路还具有保护功能，可防止电池的过充和过放对电池造成损坏。
　　1 LLC 谐振变换器
　　本充电器设计中要考虑整流滤波、能量转换，电路保护、软件设计等。 而LLC 谐振变换器是能量转换中最重要的部分，关系到充电器性能的好坏。 下面着重介绍其基本结构、数学模型及时序分析。
　　1. 1 LLC 谐振变换器的基本结构
　　图1 所示为LLC 谐振变换器的原理图。 串联谐振电感Lr 、串联谐振电容Cr 和并联谐振电感Lm ,构成LLC 谐振网络， Cr 也起到隔直作用[3 ] . 在变压器次级，整流二极管直接连接到输出电容Co上。
　　

　　图1 LLC 谐振变换器的原理图
　　当发生谐振时，LC 的本征谐振频率为：
　　

　　当Lr , Cr 和Lm发生谐振时，LLC 本征谐振频率为：
　　

　　由式(1) 、(2) 可知f1 > f2 ,当负载RL 变化时，可以调节开关(Q1 、Q2 ) 频率在f1 和f2 间变化，使品质因数达到最大。 利用这种特性，可以方便地实现脉冲频率模式PFM( Pul se Frequency Model) ,品质因数表示如下：
　　

　　LLC 谐振网络需要两个磁性元件Lr 和Lm。
　　然而，考虑到高频变压器实际结构，可以把磁性元件Lr 和Lm 集成在一个变压器内，利用变压器的漏感作为Lr , 利用变压器的磁化电感作为Lm , 这样一来，可以大大减少磁性元件数目。 在设计时，只要重点设计变压器的漏感与变压器磁化电感即可。 因此， 为增加漏感， 需要在变压器中加入适当的气隙，并且控制变压器原、副边的绕线方式可以提高品质因素。
　　1. 2 LLC 的数学模型分析
　　通过上述分析，由图1 的LLC 谐振变换器的原理图得其LLC 等效模型如图2 所示。
　　

　　图2 　LLC 原理图的等效模型图
　　电压传递函数为：
　　

　　其中：
　　

　　Q 为品质因数。
利用MA TIAB 对该模型进行仿真，可以初步分析出其工作特性如图3 所示。 其中f s 为启动频率( Start Frequency) f r 为谐振频率( ResonantFrequency)。
　　

　　图3 LLC 谐振工作特性。
　　从图3 中可以看到，在整个频率围内，既有降压的工作区域(M < 1) ,也有升压的工作区域( M >1) ,此LLC 谐振有着较大的应用范围。 在轻负载时，工作频率逐渐升高， 工作在降压区域内; 而在重负载时， 工作频率逐渐降低， 工作在升压区域内。 由图3 可知， 串联谐振的工作区域应该为f s / f r > 1 ,才能工作在ZVS 的状态。 在不同负载下，为获得ZVS 的工作条件， 只要使之工作在f s / f r > 1的右侧即可。 而LLC 谐振不仅仅局限于f s / f r > 1 的区域， 在某些负载下可以工作在f s / f r < 1区域。 同样可以获得零电压转换的工作状况。 并且与串联谐振相比，在不同负载时的频率变化范围更小。
　　1. 3 LLC 谐振变换器的时序分析
　　LLC 谐振变换器由两个主开关管Q1 和Q2 构成，其驱动信号是占空比固定为0. 5 的互补驱动信号。 为了保证原边功率MOS 管的ZVS , 副边二极管的ZCS(Zero Current Switch) 都可以实现，工作频率在f 2 < f ≤f 1 时， 其工作波形图如图4 所示。 从图中可以看出LLC 变换器工作在半个周期内可以分为三个工作模式。
　　模式1 (t0 - t1)：两个开关管(Q1 、Q2 ) 都截止，Q1 的反向二级管导通续流， Lr 上的电流逐渐减小，变压器产生感生电流，向负载供电。 反向二极管的导通将Q1两端的电压钳位在零。
　　模式2 (t1 - t2)：Lr 上的电流在t1 时刻减小到零，Q1 在此时刻导通， Lr 上的电流反向增大， 达到峰值后减小。 Lm 上的电流先减小，然后反向增加。
　　可以看出，t1 时刻由于Q1 的反向二极管的钳位作用，Q1 的导通电压为零。 此阶段只有Lr 和Cr 进行谐振。
　　

　　图4 工作时序波形图
　　模式3 (t2 - t3)：Lm 上的电流在t2 时刻与Lr上的电流相等，此时流过变压器的电流为零，负载与变压器被隔离开。Q1 在此时刻关断，Q2的反向二极管导通续流。 此阶段Lm 也加入到谐振部分， 与Lr 和Cr 串联组成谐振回路。
　　在下半个周期中， 电路的工作与上半个周期刚刚相似，只是方向相反。整个周期的电路工作波形：在上半个周期中，开关管Q1 为零电压导通， 而Q1 在t3 时刻的关断电流im 很小; 在下半个周期中，开关管Q2 为零电压导通，而Q2 在t6 时刻的关断电流im 很小，所以Q1 、Q2 工作时的开关损耗很小。
　　2 充电器硬件设计
　　经过上面的分析，设计中采用电流、电压负反馈的方法来达到恒流、恒压充电的目的，充电器硬件原理框图如图5 所示。
　　

　　图5 充电器的硬件原理框图
　　交流电经过滤波整流后，流向NCP1653，由其提供PFC(Power Factor Correction) 操作，NCP1653是一款连续导通型(CCM) 的功率因数校正( PFC) 升压式的上升控制电路， 它的外围元器件数量很少，有效地减少了升压电感的体积， 减小了功率MOS管的电流应力，从而降低了成本，且极大地简化了CCM 型的PFC 的操作，它还集成了高可靠的保护功能。 NCP1396 电路为整个硬件电路提供保护(包括有反馈环路失效侦测、快速与低速事件输入，以及可以避免在低输入电压下工作的电源电压过低侦测等) ,NCP1396 的独特架构包括一个500 kHz 的压控振荡器，由于在谐振电路结构中避开谐振尖峰相当重要，因此为了将转换器安排在正确的工作区，NCP1396 内置了可调整且精确的最低开关频率，通过专有高电压技术支持。 应用S3F84K4 单片机实现智能充电器控制。
3 软件设计
　　为满足充电要求， 该充电器软件设计除了完成充放电控制外， 还具有过流保护、过压保护、过温保护、短路报警等功能模块。主程序流程图如图6 所示。
　　

　　图6 主程序流程图。
　　程序开始执行后， 首先进行初始化并检测电池电压、电流、温度等信息是否正常。 如正常则进入下一步。 否则报警并关闭电路。 如果电池电压在充电终止电压和放电终止电压之间， 说明电池既可充电也可放电。 此时电路将判断接上充电机还是接上负载。 以进行相应的充电和放电。 如果两者都没有接则循环检测过程。 若电池电压已经到达充电终止电压。 则等待负载的接入进行放电;同样若电池电压己经达到放电终止电压，则等待充电器的接入以进行充电。 在整个过程中，该电路将始终实时检测电池信息，若有异常情况发生，则立即利用中断信号终止正在进行的充电或者放电过程，关断充放电回路，同时进行报警并提示报警原因。
　　4 测试结果
　　本充电器的各项指标如下：
　　(1) 输入电流：50/ 60 Hz。
　　(2) AC/ DC 输出电压48 :V , AC/ DC 输出电流：5. 0 A。
　　(3) 恒流充电电流：4. 5 A。
　　(4) 恒压充电电压：45 V (AC)。
　　(5) 环境温度： - 5~45 ℃。
　　经分析， 按上述设计和分析结果， 最后选定LLC 的参数Cr = 0. 043 055μF，Lr = 72. 636 09μH，Lm = 435. 816 5μH。
本智能充电器经测试，充电保护措施可靠，充电状态准确，充电时间约为6 h ,如果需要进一步缩短充电时间，只需在初始化时设定更大的充电电流即可。 因为采用PWM 控制器，所以，充电效率可以达到92 %以上，最低时在85 %左右。根据实际需要，要想达到理想的充电效率，对充电器元器件做进一步的精确要求。