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1. 概述
电动和油电混合动力汽车在通用平台基础上设计，电子器件部分沿用传统汽车 12V 平台器件，因此还需要从高压电池组转换成低压14V（铅酸电池满电电压）的恒压值。就需要一个核心器件 DCC，无论你酷炫的车灯，还是动听的音箱，眼花缭乱的仪表，都需要这个在汽车某个角落默默支持的强大电源 DCC，是它将高压转换成 14V 电源，当你吹着空调，在安静夜晚开着大灯听着音乐开车在路上时候，这个强大的电源需要输出 200A 左右的电流，支撑着全车低压电器供电，当车辆关闭较多电器，静止在路边时候，DCC只输出几安培到几十安培电流，并且要保障可靠的工作。以下是 DCC 采用 LLC 架构设计计算过程。
1.1 DCC_LLC规格参数
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Maximum input voltage |
480V |
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Minimum input voltage |
200V |
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Nominal input voltage |
380V |
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Output voltage |
14V |
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Output current |
236A |
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Current limitation threshold |
307A |
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Efficiency |
93% |
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Maximum switching efficiency |
250KHz |
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Minimum switching efficiency |
70KHz |
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Resonant frequency |
110KHz |
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Lm / Lr ratio |
6 |
2. 原理
2.1 DCC_LLC 线路图
DCC_LLC 通过 H 桥臂对角 MOS 的同步导通，上下 MOS 的交替导通，实现能量传入变压器和谐振电容，次级侧 MOS 同步导通实现同步整流。逆变时候主要推挽实现高边电压的爬升，由于逆变只考虑给电容预充电电路不做特别计算。
图 1 LLC线路示意图
2.2 CLLC 电压和电流波形
以下波形为半桥中点电压和谐振回路中电流波形，谐振回路中电流波形接近正弦波，处于完全谐振状态，此时 MOS 进行开启和关闭时候只要踏准节拍，可以完美的工作的 ZVS（Zero Voltage Switching），因此 MOS 此时开关损耗为零，只有导通损耗。
图 2 LLC 半桥电压和谐振电流波形
3. DCC_LLC 参数计算
3.1 计算原理
图 3 LLC 谐振变换等效图
步骤 1 电源的一次谐波近似值 Vin（FHA） 可以用下面方程式表达：
Vin（FHA）（t）=4/π * VDC * Sin（2πfswt）
步骤 2 负载端变压器输出电压近似方波：
Voe（t）=4/π * n * Vo * Sin（2πfswt-φ）
步骤 3 负载端变压器输出电流：
Ioe（t）=π/2 * （1/n） * Io * Sin（2πfswt-φ）
步骤 4 交流阻抗 Re :
Re= Voe（t）/ Ioe（t）=8 * n²/π² * Ro
步骤 5 输入对输出的电压增益 Mpfm ：
Mpfm=nVo / VDC =|m * fn²/{[(m+1) * fn²-1]+j * Qe * mfn *(fn²-1)}
步骤 6 表达式中的各项式：
Qe =1/ Re * （Lr/Cr）
M =Lm/Lr
fn= fsw / fr
fr=1 /2π* （Lr/Cr）
图4 PFM 下的增益曲线
步骤 7 在 PWM 条件下可以获得更大的增益。此时的表达式：
Vin（FHA）（t）=[1-cos（2π * d）]/π * VDC * Sin（2πfswt）
Vpwm = [1-cos（2π * d）] * Mpfm
由于需要软开关，占空比需要大于 0.3 。
3.2应用到的注释
Vin（FHA） 电源的一次谐波近似值
VDC 输入直流电压
Voe 输出等效交流电压
Vo 输出电压
Ioe 输出等效交流电流
Io 输出电流
Re 输出负载等效交流阻抗
Ro 输出负载电阻
Mpfm 输入侧的电压增益（对输出）
Qe 谐振回路的增益
M 励磁电感和谐振电感比
Fn 开关频率和谐振频率比值
Lr 谐振电感
Cr 谐振电容
Vpwm 调占空比下的电压增益
n 理想变压器匝比
Mmin 电压增益最小值
Mmax 电压增益最大值
fmin 频率最小值
fmax 频率最大值
Lp 原边总电感量
nreal 实际变压器匝比
Vpwm 调占空比下的电压增益
Np 变压器原边匝数
Ns 变压器次级匝数
Vo(ripple) 输出纹波电压
3.3 计算步骤
步骤 1 确定变压器的匝比 n 。
n=Vin-nom / Vout =380V/14V=27
步骤 2 电压增益的最大值和最小值
Mmin= n * Vout /Vin-max =27 * 14V/480V=0.79
Mmax= n * Vout /Vin-min =27 * 14V/200V =1.89
步骤 3 验证最小工作频率和最大工作频率。M 值取 6 计算发现 fmax 无解是因为频率不能无限升高，在达到设定的上限频率后 LLC 进入 PWM 模式。
fmin= fr / [1+M *（1-1/ Mmax²）]=110KHz / [1+6 *（1-1/ 1.89²）]=47.7KHz
fmax= fr / [1+M *（1-1/ Min）]=110KHz / [1+6 *（1-1/ 0.79）]= ？
步骤 4 计算等效电阻 Re 值。
Re = 8n²/π² *( Vo/Io) =8 * 27²/π²* (14V/236A)=35.09Ω
步骤 5 计算谐振电容的容值 ，Qe 值此处取0.36 。
Cr = 1/（2πQefrRe）=1/（2π * 0.36 * 110KHz * 35.09Ω）=115nF
步骤 6 计算谐振电感感量 。
Lr = 1/[（2πfr）²Cr]= 1/[（2π* 110KHz）² * 115nF]= 18.2uH
步骤 7 计算变压器的主感量 。
Lm=m * Lr = 6 * 18.2uH =109.2uH
实际应用中 Lr 取 18uH ，Lm取110uH ，谐振电容 Cr 取 115nF 。
步骤 8 变计算压器原边电感量 。
Lp= Lm + Lr =110uH + 18uH=128uH
步骤 9 变压器实际匝比，及绕线圈数计算如下。此处 ΔB 取 0.3，Ae 查 PQ50磁芯参数为 328 。
nreal= n （Lp/Lm）=27 （128uH/110uH）=29.1255
Ns= Vo/（4fmin * ΔB * Ae）=14V/（4 * 44.7KHz * 0.3 * 328）=0.8
此处 Ns 取值 1
Np= Ns * Nreal= 1 * 29.1255=29.1255
变压器原边匝数取 29 圈，次级匝数取 1 圈，原边电感量 128uH ，漏感作为谐振电感 18uH ，PQ5050 磁芯。
步骤 10 计算流经 MOS 的电流值，估算出输入和输出 MOS 损耗，由于流经 MOS 电流均为正弦波，并且处于软开关状态，没有开关损耗。 流经输出 MOS的电流有效值等于输出电流 Io 从而流经 MOS 电流有效值 236A ，P=I² * R 可以求得 MOS 损耗功率，此处选的 MOS 导通内阻 0.3 mΩ 每边 MOS 损耗功率为 1/2 。计算得 1/2 * 236A² * 0.3mΩ=8.35W，三颗 MOS 平均，每个耗散功率2.8W 。
流经原边 MOS电流有效值等于输出电流 Io /n=236A/29=8.14A ,在工频周期内各工作一半时间，所选MOS内阻为 40mΩ。所以原边单个 MOS 导通损耗功率为 0.5 * 8.14A² * 0.04Ω=1.33W
步骤 11 计算输出电容最小容量。在满功率时候，输出纹波选取 1% 的纹波峰峰值。实际选取值大于5627.5uF即可。
C（min）= Io/(3.14 * 2 * fmin * Vo(ripple)) =236A/(3.14 * 2 * 47.7KHz * 0.14V)=5627.5uF
3.4 选型结果
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器件 |
规格 |
特征1 |
特征2 |
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DCC 变压器 |
主感量 128uH |
漏感 18uH |
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DCC 次级MOS |
TPHR7904PB |
150A |
耐压 40V |
0.8mΩ |
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DCC 原边MOS |
TK040N65Z |
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耐压 650V |
40mΩ |
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谐振电容 |
115nF |
1KV |
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4. 参考资料
NXP LLC Resonant Converter Design Us
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文件标识 |
DCC_LLC 选型 | ||
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当前版本 |
V1.1 |
日期 |
2020-05-06 |
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作者 |
Allon Qiao |
联系方式 |
atu.cn@wpi-group.com |
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审核者 |
Kuhn Zhang |
联系方式 |
atu.cn@wpi-group.com |
更新记录
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版本 |
修改人 |
修改日期 |
修改说明 |
备注 |
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V1.0 |
Allon Qiao |
2020.05.06 |
1、创建文档 2、完成文档内容 |
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V1.1 |
Allon Qiao |
2020.05.11 |
1、增加注释 2、增加输出电容容值计算 |
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