直流充电桩中LLC谐振变换器研究

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随着节能减排的深入推进,电动汽车行业迅速发展,充电速度较慢的交流充电桩已经不能完全满足人们的需求,快速充电式直流充电桩亟待进一步发展。直流充电桩采用两级结构,即前级整流变换器和后级DC-DC变换器。前级整流变换器连接电网侧,通过滤波整流将其转化为稳定的直流母线电压进行供电;后级DC-DC变换器将母线电压转换为稳定的宽范围电压输出,以满足不同型号电动汽车的充电需求。目前市面上的直流充电桩体积较大、成本高,为此有必要对直流充电桩的DC-DC环节进行改进,以缩小充电桩的体积,提升充电桩的运行效率。在对几种常用的DC-DC变换器拓扑特点分析的基础上,得到全桥LLC谐振变换器具有开关管电压应力较低,高频工作状态下软开关性能良好等优点,是用于直流充电桩的理想拓扑结构。文中对全桥LLC谐振变换器的各工作模态进行分析,利用基波分析法(First Harmonic Approximation,FHA)化简变换器电路,根据简化的等效电路推导变换器增益和谐振网络输入阻抗表达式,绘制增益特性曲线和输入阻抗特性曲线分析谐振参数对变换器工作的影响,为参数设计奠定基础。依据变换器的各项技术指标,以及实现软开关的限制条件,推导变换器各参数的取值范围,从效率最优的角度进行参数设计,多次调试各参数取值,以得到最优结果,并根据设计流程,整理出简要设计流程图;根据参数设计结果,计算各功率器件的电流电压应力,进行器件选型和磁性元件的设计。另外,针对全桥LLC谐振变换器启动瞬间存在冲击电流的问题,详细分析启动频率和占空比对冲击电流的影响,在传统软启动方案的基础上,提出先移相再降频的混合软启动控制策略,通过仿真实验验证控制策略的可行性。在PSIM软件中搭建全桥LLC谐振变换器的仿真电路,分别验证变换器软启动性能和软开关特性,在证明参数合理后,搭建实验样机,分别进行软启动实验和稳态实验,验证变换器全负载范围的软开关特性,并将理论波形、仿真波形和实际工作波形进行对比,三者基本一致,进一步验证了理论分析的正确性和参数设计的合理性。
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