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摘要：针对现行充电桩存在充电时间长、充电桩体积大以及开关损耗大等问题，提出一种基于软开关的半桥LLC谐振电路，作为直流充电桩DC-DC变换器的主电路，为车载电池充电。根据电路拓扑结构及理论分析，在Matlab/Simulink中搭建了DC-DC变换器的主电路仿真模型，通过分析输出的电压和电流波形可知，设计的变换器电路能够输出稳定且优质的电能。结果表明设计的半桥LLC谐振电路，可以大幅度降低直流充电桩DC-DC变换器的开关损耗，可减小充电桩体积，满足电动汽车充电桩在高频率应用场合下开关损耗小且充电效率高的要求，可在电动汽车变换器中推广应用。
Abstract： Aiming at the problems of long charging time， large volume of the charging pile， and large switching loss in the current charging pile， a soft-switching half-bridge LLC resonant circuit is proposed as the main circuit of the DC-DC converter of the DC charging pile to charge the vehicle battery. . According to the circuit topology and theoretical analysis， the main circuit simulation model of the DC-DC converter is built in Matlab/Simulink. By analyzing the output voltage and current waveforms， it can be known that the designed converter circuit can output stable and high-quality electrical energy. The results show that the designed half-bridge LLC resonant circuit can greatly reduce the switching loss of the DC-DC converter of the DC charging pile， reduce the volume of the charging pile， and meet the low switching loss and charging efficiency of the electric vehicle charging pile in high-frequency applications. High requirements can be popularized and applied in electric vehicle converters.
关键词：DC-DC变换器;直流充电桩;谐振电路;电动汽车
Key words： DC-DC converter;DC charging pile;resonance circuit;electric vehicle
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0207-02
0 引言
当前全球各国均面临着环境污染和能源短缺的现状，发展电动汽车行业是推进节能减排的重点[1]。近年来，全球电动汽车行业发展非常快，电动汽车的充电问题是限制其发展的主要因素。在这样的大背景大趋势下，各国均非常重视建设电动汽车充电设备。电动汽车充电桩建设是我国“新基建”的重要领域之一。电动汽车充电桩是为电动汽车提供电力保障的充电设备，包括交流充电桩和直流充电桩[2-4]。交流充电桩为电动汽车充电时需要连接车载充电机，而且充满电所需时间达到数个小时以上，这就造成了电动汽车在使用中不够方便快捷[5]。针对这个问题，提出采用直流充电桩来弥补交流充电装置的不足。直流充电桩可为电动汽车进行大功率的充电，能直接和电动汽车的直流充电口对接进行充电，不需要再连接其他设备，可以更加高效和方便地为电动汽车进行充电，所以直流充电桩的发展对电动汽车的发展具有重要的促进作用。电动汽车直流充电桩在充电过程中，首先利用三相 PFC 电路将电网中的交流电能转换成直流电能，输出约 800V 的直流电压，然后经过DC-DC 变换电路对电动汽车车载电池进行冲电。本文对直流充电桩的后级 DC-DC 变换器电路进行研究。
1 电动汽车充电桩主电路拓扑结构
DC/DC变换器的电路拓扑结构主要包括单端正激型电路、推挽式电路、半桥式电路以及全桥式电路等[6]。分析不同电路类型的适用范围及优缺点，结合电动汽车直流充电桩需要充电更快速、更便捷等方面的实际需求，提出采用半桥式LLC谐振电路作为电动汽车直流充电桩主电路系统。设计的直流充电桩电路主要由开关网络、谐振网络、整流滤波网络组成。电路拓扑结构如图1所示。
图1中的开关网络采用半桥三电平逆变电路。开关管Q1、Q2、Q3、Q4选用MOSFET，其寄生二極管为D1、D2、D3、D4，寄生电容为C1、C2、C3、C4。MOSFET具有快速的开关速度、很高的工作频率、驱动电路不繁杂等优点，可满足充电桩变换器日益高频化的需求[7]。由于电动汽车直流充电桩后级DC-DC 变换器电路的输入电压达到了 800V，而由于半导体工艺技术的限制，MOSFET的耐压难以满足高压输入的要求，故采用四个MOSFET串联。为提供一个中点电位，需要将电容 C5和 C6串联，并与输入电压源 Ui并联。另外，由于开关管寄生参数的离散性，故为了钳位开关管的电压为 Ui/2，需在电路中加入二极管 D5和 D6、飞跨电容 C7和C8。 图1中的谐振网络由谐振电容 Cr，谐振电感 Lr和励磁电感 Lm组成。变压器 TX为理想变压器，其励磁电感用Lm表示。当谐振电流 icr与励磁电流 im不同时，输出整流二极管导通，励磁电感 Lm被變压器钳位，这时谐振电容 Cr和谐振电感 Lr参与谐振。当谐振电流 icr与励磁电流 im相同时，输出整流二极管无电流，励磁电感未被钳位，这时谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm均参与谐振。
图1中的整流滤波网络采用全桥方式，由四个整流功率二极管D7、D8、D9、D10组成整流滤波网络，Co是输出滤波电容，Ro是负载电阻。全桥整流电路中，只有一个绕组，不存在绕组间的匹配问题。另外，整流电路一共有四个二极管，根据分压原理，每个二极管承受的反向电压为输出电压的二分之一。因此该整流电路适用于高输出电压的直流充电桩工作环境。
设计的半桥LLC谐振电路结构简单，输出交流电压的幅值只有输入电压的二分之一，直流侧的电压脉动小，电源侧电流接近正弦波，功率因数高，适用于高输入电压的场合，可满足直流充电桩的稳定和优质的电压和电流要求。同时，当电感和电容满足一定的谐振条件，可出现谐振现象。基于此，设计谐振电路时，将电压或电流波形错开，使电压或电流值在开通、关断时刻接近零，这样开关损耗将会成倍的降低，大大缩短充电时间，提升电能利用率，能源节约量明显增加[8-9]。
2 仿真建模及结果分析
设计的电动汽车直流充电桩性能参数主要有：输入端直流电压为800V;输出端直流电压为450～750V;输出电流为20A;额定功率为15kW;变压器的变比为0.76;电感系数K为6;品质因素Q为0.3。根据电动汽车直流充电桩性能参数，采用提出的软开关半桥式LLC谐振电路，在Matlab/Simulink中搭建电路的仿真模型。
变换器电路的输出电压和电流稳定性是衡量电动汽车直流充电桩工作性能优劣的重要指标，设计的电动汽车直流充电桩输出电压和电流的仿真结果如图2所示。由图2（a）可知，在刚开始的0.02秒之内，输出电压出现了快速的上升，在0.14秒处电压开始趋向于稳定，之后一直维持在750V的电压左右。此时，电路已经进入到正常工作状态。从图2（b）可以看出，输出电流短时间内快速上升，最后稳定在20A。直流充电桩满足要求的额定功率15kW。
3 结论
为克服现行电动汽车充电桩存在的体积大、开关损耗大、充电效率低等问题，提出了一种应用于电动汽车直流充电桩的半桥LLC谐振变换器电路，主要包括开关网络、谐振网络和整流滤波网络，并分别阐述了各个网络模块的电路结构及优势。根据电路拓扑结构及理论分析，在Matlab/Simulink中搭建了半桥LLC谐振变换器的主电路仿真模型，通过分析输出的电压和电流波形可知，提出的变换器电路能够输出稳定且优质的电能，满足电动汽车在高频率应用场合下开关损耗小且充电效率高的要求。
参考文献：
[1]王淳.中国新能源汽车产业发展政策研究[D].西南石油大学，2015.
[2]白磊成.电动汽车直流充电桩的设计与研究[J].科技视界，2016（12）：290-291.
[3]赵瑞.电动汽车交流充电桩的设计与研究[D].苏州大学，2013.
[4]谢伟才.电动汽车充电桩的设计与研究[J].通讯世界，2016（02）：105-107.
[5]何圣权.基于STM32的电动汽车交流充电桩的设计与实现[D].浙江工业大学，2013.
[6]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.
[7]李凯，罗续业，李彦.基于MOSFET串联的半桥LLC谐振电路设计[J].电力电子技术，2020（06）：21-25.
[8]和雅.电动汽车充电桩设计研究[D].南昌大学，2012.
[9]姚修远，金新民，周飞，等.零电压零电流转换软开关技术中二极管反向恢复的影响[J].中国电机工程学报，2015（04）：944-952.
Abstract： Aiming at the problems of long charging time， large volume of the charging pile， and large switching loss in the current charging pile， a soft-switching half-bridge LLC resonant circuit is proposed as the main circuit of the DC-DC converter of the DC charging pile to charge the vehicle battery. . According to the circuit topology and theoretical analysis， the main circuit simulation model of the DC-DC converter is built in Matlab/Simulink. By analyzing the output voltage and current waveforms， it can be known that the designed converter circuit can output stable and high-quality electrical energy. The results show that the designed half-bridge LLC resonant circuit can greatly reduce the switching loss of the DC-DC converter of the DC charging pile， reduce the volume of the charging pile， and meet the low switching loss and charging efficiency of the electric vehicle charging pile in high-frequency applications. High requirements can be popularized and applied in electric vehicle converters.
关键词：DC-DC变换器;直流充电桩;谐振电路;电动汽车
Key words： DC-DC converter;DC charging pile;resonance circuit;electric vehicle
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0207-02
0 引言
当前全球各国均面临着环境污染和能源短缺的现状，发展电动汽车行业是推进节能减排的重点[1]。近年来，全球电动汽车行业发展非常快，电动汽车的充电问题是限制其发展的主要因素。在这样的大背景大趋势下，各国均非常重视建设电动汽车充电设备。电动汽车充电桩建设是我国“新基建”的重要领域之一。电动汽车充电桩是为电动汽车提供电力保障的充电设备，包括交流充电桩和直流充电桩[2-4]。交流充电桩为电动汽车充电时需要连接车载充电机，而且充满电所需时间达到数个小时以上，这就造成了电动汽车在使用中不够方便快捷[5]。针对这个问题，提出采用直流充电桩来弥补交流充电装置的不足。直流充电桩可为电动汽车进行大功率的充电，能直接和电动汽车的直流充电口对接进行充电，不需要再连接其他设备，可以更加高效和方便地为电动汽车进行充电，所以直流充电桩的发展对电动汽车的发展具有重要的促进作用。电动汽车直流充电桩在充电过程中，首先利用三相 PFC 电路将电网中的交流电能转换成直流电能，输出约 800V 的直流电压，然后经过DC-DC 变换电路对电动汽车车载电池进行冲电。本文对直流充电桩的后级 DC-DC 变换器电路进行研究。
1 电动汽车充电桩主电路拓扑结构
DC/DC变换器的电路拓扑结构主要包括单端正激型电路、推挽式电路、半桥式电路以及全桥式电路等[6]。分析不同电路类型的适用范围及优缺点，结合电动汽车直流充电桩需要充电更快速、更便捷等方面的实际需求，提出采用半桥式LLC谐振电路作为电动汽车直流充电桩主电路系统。设计的直流充电桩电路主要由开关网络、谐振网络、整流滤波网络组成。电路拓扑结构如图1所示。
图1中的开关网络采用半桥三电平逆变电路。开关管Q1、Q2、Q3、Q4选用MOSFET，其寄生二極管为D1、D2、D3、D4，寄生电容为C1、C2、C3、C4。MOSFET具有快速的开关速度、很高的工作频率、驱动电路不繁杂等优点，可满足充电桩变换器日益高频化的需求[7]。由于电动汽车直流充电桩后级DC-DC 变换器电路的输入电压达到了 800V，而由于半导体工艺技术的限制，MOSFET的耐压难以满足高压输入的要求，故采用四个MOSFET串联。为提供一个中点电位，需要将电容 C5和 C6串联，并与输入电压源 Ui并联。另外，由于开关管寄生参数的离散性，故为了钳位开关管的电压为 Ui/2，需在电路中加入二极管 D5和 D6、飞跨电容 C7和C8。 图1中的谐振网络由谐振电容 Cr，谐振电感 Lr和励磁电感 Lm组成。变压器 TX为理想变压器，其励磁电感用Lm表示。当谐振电流 icr与励磁电流 im不同时，输出整流二极管导通，励磁电感 Lm被變压器钳位，这时谐振电容 Cr和谐振电感 Lr参与谐振。当谐振电流 icr与励磁电流 im相同时，输出整流二极管无电流，励磁电感未被钳位，这时谐振电容Cr、谐振电感Lr和励磁电感Lm均参与谐振。
图1中的整流滤波网络采用全桥方式，由四个整流功率二极管D7、D8、D9、D10组成整流滤波网络，Co是输出滤波电容，Ro是负载电阻。全桥整流电路中，只有一个绕组，不存在绕组间的匹配问题。另外，整流电路一共有四个二极管，根据分压原理，每个二极管承受的反向电压为输出电压的二分之一。因此该整流电路适用于高输出电压的直流充电桩工作环境。
设计的半桥LLC谐振电路结构简单，输出交流电压的幅值只有输入电压的二分之一，直流侧的电压脉动小，电源侧电流接近正弦波，功率因数高，适用于高输入电压的场合，可满足直流充电桩的稳定和优质的电压和电流要求。同时，当电感和电容满足一定的谐振条件，可出现谐振现象。基于此，设计谐振电路时，将电压或电流波形错开，使电压或电流值在开通、关断时刻接近零，这样开关损耗将会成倍的降低，大大缩短充电时间，提升电能利用率，能源节约量明显增加[8-9]。
2 仿真建模及结果分析
设计的电动汽车直流充电桩性能参数主要有：输入端直流电压为800V;输出端直流电压为450～750V;输出电流为20A;额定功率为15kW;变压器的变比为0.76;电感系数K为6;品质因素Q为0.3。根据电动汽车直流充电桩性能参数，采用提出的软开关半桥式LLC谐振电路，在Matlab/Simulink中搭建电路的仿真模型。
变换器电路的输出电压和电流稳定性是衡量电动汽车直流充电桩工作性能优劣的重要指标，设计的电动汽车直流充电桩输出电压和电流的仿真结果如图2所示。由图2（a）可知，在刚开始的0.02秒之内，输出电压出现了快速的上升，在0.14秒处电压开始趋向于稳定，之后一直维持在750V的电压左右。此时，电路已经进入到正常工作状态。从图2（b）可以看出，输出电流短时间内快速上升，最后稳定在20A。直流充电桩满足要求的额定功率15kW。
3 结论
为克服现行电动汽车充电桩存在的体积大、开关损耗大、充电效率低等问题，提出了一种应用于电动汽车直流充电桩的半桥LLC谐振变换器电路，主要包括开关网络、谐振网络和整流滤波网络，并分别阐述了各个网络模块的电路结构及优势。根据电路拓扑结构及理论分析，在Matlab/Simulink中搭建了半桥LLC谐振变换器的主电路仿真模型，通过分析输出的电压和电流波形可知，提出的变换器电路能够输出稳定且优质的电能，满足电动汽车在高频率应用场合下开关损耗小且充电效率高的要求。
参考文献：
[1]王淳.中国新能源汽车产业发展政策研究[D].西南石油大学，2015.
[2]白磊成.电动汽车直流充电桩的设计与研究[J].科技视界，2016（12）：290-291.
[3]赵瑞.电动汽车交流充电桩的设计与研究[D].苏州大学，2013.
[4]谢伟才.电动汽车充电桩的设计与研究[J].通讯世界，2016（02）：105-107.
[5]何圣权.基于STM32的电动汽车交流充电桩的设计与实现[D].浙江工业大学，2013.
[6]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.
[7]李凯，罗续业，李彦.基于MOSFET串联的半桥LLC谐振电路设计[J].电力电子技术，2020（06）：21-25.
[8]和雅.电动汽车充电桩设计研究[D].南昌大学，2012.
[9]姚修远，金新民，周飞，等.零电压零电流转换软开关技术中二极管反向恢复的影响[J].中国电机工程学报，2015（04）：944-952.