模块化电瓶船调压器谐振电路设计

张 涛，贾相武，付 杰

（浙江交通职业技术学院，浙江 杭州 311112）

0 引 言

电瓶船一般选择铅酸电池或锂电池作为动力电池，电池充电一般采用船载充电器或外用充电器。船用电机的驱动一般分为直接驱动、调压驱动以及变频驱动3种，在这3种驱动形式中，调压器驱动结构简单，实用性较强，被广泛采用，但其存在功率高、电流大且效率低的缺点，如何提高电瓶船调压器的电气性能成为研究的重点和难点[1-3]。电瓶船调压器效率提升的关键在于降低开关损耗，因此软开关电路应用得到了广泛关注。软开关驱动电路在开关电源中应用十分广泛，在PC电源、电力拖动以及模块电源等领域被大量采用。同时随着数字控制的兴起，软开关控制因其灵活性和智能性特点得到快速推广。

电瓶船使用大功率调压器时可以采用模块化的设计方式，将功率大、效率低的调压器转化为高效率的小模块，使电瓶船调压器具有结构简单、拆装灵活以及效率高的特点。

1 模块化电瓶船调压器工作原理

传统电瓶船驱动调压器多采用硬开关降压电路，大部分采用Buck降压拓扑，开关管开通或关断时，电压和电流存在较大的重叠区，开关损耗是主要损耗。电瓶船调压器通常存在功率大和电流大的情况，为了降低调压器体积，需要增加工作频率，但开关管损耗也随着增加，这就限制了电瓶船调压器的最高工作频率，而软开关技术成为一个有利的选择。本文研究的电瓶船调压器采用LLC谐振电路实现DC-DC变换，电路的软开关控制通过谐振拓扑实现，输入输出采用变压器隔离。如图1所示，在谐振电路串联电感的同时，变压器原边也并联有电感，通常用变压器励磁电感替代，对比传统串联谐振变换器（Series Resonant Converter，SRC）架构，只是相当于增加了一个与负载并联的电感[4-7]。

图1 LLC谐振变换器的结构

其中，Vs为输入电压，Cr为谐振电容，Lr为谐振电感，Lm为励磁电感，Np为变压器原边绕组，NS为变压器副边绕组。

对于LLC谐振变换器，通常分析高于谐振频率fr的工作过程。图2描述了调压器开关频率高于谐振频率时工作过程的波形。各电量的参考方向参见图1，后面的分析以此为参考方向。

图2 调压器开关高于谐振频率时的工作波形

变换器开关频率高于谐振频率，工作电流周期大于开关周期，并且在相位上稍微滞后。t0前Q2导通工作，t=t0时，Q2受控关断，因为谐振电感的作用，电流不能突变，原边电流通过Q1的寄生二极管DS1续流（忽略了对MOSFET的输出电容充放电的时间）。在t=t1时刻，原边的电流还处于负值，但开始变大向正向转变，谐振电流由负变正，副边电流通过D1进行续流，二极管D2处于关断状态，原边电压保持在nVO，励磁电感两端电压被副边电压钳位。原边谐振电流保持为负值，并且持续续流，谐振电流通过Q1的寄生二极管流回电源端[8-10]。在t=t2时，LC谐振电路的电流变为零，在谐振电流降到零前，开关管Q1的驱动信号有效，这时Q1两端电压为零，实现零电压开通（ZVS）。同理，在t=t4时，Q2的驱动信号在施加之前，开关管Q2两端电压已经变为零，可以实现零电压开通（ZVS），前后半个周期的工作波形是对称的，后半个周期（t4～t8）的工作过程可作同样的分析[10,11]。

2 谐振变换器调压器参数设计

电瓶船电机的驱动过程实际上是电压变换过程，启动开始为小电压软启动过程，在启动过程中，电动机的驱动电流逐步增加，驱动电压也逐步上升，要求直流驱动设备具有快速调压能力。模块化电瓶船驱动模块采用半桥式谐振拓扑，通过变换器调整电压的变比，以实现宽范围的电压输出。模块化的谐振调压器可以降低每个模块的容量，开关器件选择面变好，选择合适的器件有利于开关损耗和通态损耗的降低，并且可以优化成本。在设计谐振电路的各项参数过程中，要依据调压器的工作条件和要求，考虑输入电压和输出电压范围，满足输出功率和动态调整率等条件进行分析设计。对于电瓶船调压电源的设计，主要分析调压器输入输出电压的范围、最大输出功率以及动态调整性能等关键指标。

2.1 磁性元件设计

依据调压器的输入输出电压范围和增益曲线设定变压器的匝数比，模块化调压器的输入电压由电瓶船蓄电池决定，是电瓶船的直流母线电压，会随电池电量变小而变低。输出电压是电动机的驱动电压，由电机参数和工作过程确定。在LLC谐振半桥调压器中，变换器输入输出电压关系主要由变换器频率和变压器匝比确定，系统的软开关工作状态主要和频率相关。图3描述了输出增益、品质因数Q以及开关频率的关系，M函数的中间变量为Q，可以看出，品质因数Q影响增益曲线的形状，在最大增益点两侧频率与增益变化相反，为提高系统的稳定性和工作效率，通常选择负载临界点小于谐振频率，这样增益和频率在感性工作区具有近似线性关系，便于控制和参数设计。

图3 输出增益、品质因数Q以及开关频率的关系

谐振半桥电路的工作开关频率接近谐振频率时，软开关环境最好，根据电瓶船驱动的工作电压特性，选择电瓶船额定工作状态，确定变换器的额定输出输入电压。在LLC调压器驱动系统中，一般设计调压器的额定工作点为谐振频率点，调压器将获得较好的工作效率。

变换器的增益（M）主要取决于变压器的匝比(n)和谐振频率（fr），设计时设额定增益（Mnom）为1，可以得到：

式中，V2为谐振网络等效输出电压（V2=nVo）；V1nom为谐振网络等效额定输入电压（V1nom=V1nom/2）；Vsnom为额定输入电压；Vo为输出电压，解得：

2.2 谐振参数设计

谐振参数主要取决于谐振电容、励磁电感以及谐振电感，其中励磁电感与谐振电感的比值k是关键参数。在低于谐振频率fr时会出现增益大于1的区间，这个阶段k值起到决定作用，合适的k值有效增加SRC实现软开关的工作区间，一方面使调压器模块可以满足高输入电压的要求，另一方面优化了较轻负载时的工作频率，降低较轻负载时的开关频率，能够较好实现在轻载阶段的动态调压，电压控制相对容易。软开关通过励磁电感上的电流实现，使调压变换器在较轻负载时也能实现软开关。设计中可以先确定最低增益（Mmin）：

式中，Vsmax为最大输入电压。满足电瓶船驱动器在最高开关频率时实现较稳定的输出电压，可以得到k值的限制条件：

式中，fmax为模块最高开关频率。

3 实验结果

根据电瓶船工作特点设计了实验模块，采用磷酸铁锂电瓶船电池规格，电池容量为100 Ah，输入电压为280～380 V DC，输出电压为300～400 V DC，实验模块输出功率设计为3 kW，开关管选用结电容较小的SPW47N60C3，驱动电阻选择10 Ω。为加快关断速度，反向并联二极管，模块工作频率集中在80～100 kHz，最高频率为500 kHz，通常在开机过程出现。根据模块化调压器的额定工作状态确定基本参数，在这个基础上再优化谐振参数提高效率。电瓶船调压器的额定输出电压为360 V，将350～360 V DC输出时变换器的开关频率设计为谐振频率fr，以获得较好的工作效率。

各项设计参数计算过程如下，根据输入输出确定变压器原副边的匝比：

式中，Vfd为二极管的正向导通压降，通常为1 V。变换器的谐振频率fr=100 kHz，最低工作频率fsmin=50 kHz，最高工作频率fsmax=500 kHz。

考虑额定开关频率，应用AP方法估算，变压器的磁芯材料选择PC44，骨架采用EE42/21/20。考虑到输出电压范围，变压器样机匝比设定为：

根据调压器空载稳定条件、额定输出电压增益以及开关管软开关条件等，选取k=1.6，品质因数Q0=1.632。

图4描述了MOS管的工作电压和电流波形，横坐标为时间，单位是μs，为便于观测调整了各个波形的零线，具体见图标，可以得出在MOS管开通前，Vds（图中3号线）下降到零，输出整流二极管电流（图中2号线）和原边谐振电流（图中1号线）也下降到零附近，开关MOS管关断时，变换器MOS管也可以实现软开关，软开关实现的形式是零电压开通和零电流关断(ZVS和ZCS)。

图4 调压器工作时MOS管驱动和电压、电流波形

电瓶船的驱动调压要求直流输出电压连续调节，根据额定输入360 V，驱动输出电压360 V的条件为谐振工作点，得到模块效率最高点出现在360 V的额定条件，输出功率变化时的效率曲线如图5所示。

图5 实验模块的效率曲线

4 结 论

本文根据电瓶船模块化驱动电源的技术要求，设计模块化的电瓶船谐振调压器，分析了谐振变换调压器的参数设计依据和设计方法，重点介绍谐振变换调压器的变压器等磁性元件参数的计算方法，经过设计实验样机，验证模块化电瓶船谐振调压器的优点，并获得高效率的输出。