- 頭條杭電學者提出車載充電器系統中雙向諧振變換器的新型控制方法2023-02-15 作者：廖嘉睿、杭麗君 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為解決車載充電器（OBC）系統的雙向CLLLC諧振變換器在寬范圍工作條件下效率過低、開關管溫度過高等問題，杭州電子科技大學區域能源互聯網技術浙江省工程實驗室、寧德時代新能源科技有限公司的研究人員廖嘉睿、杭麗君、但志敏、何遠彬、高錦鳳，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種新的數字同步整流控制策略。
隨著新能源產業的不斷發展，電動汽車憑借環保、節能等優點已成為未來新能源汽車產業的主流方向。在車載充電器（On Board Charger, OBC）、充電樁等應用領域，具有功率雙向流動特性的隔離雙向DC- DC變換器成為了研究熱點。
目前，雙向隔離DC- DC變換拓撲主要有雙向諧振變換器（CLLLC）和雙向有源全橋（Dual Active Bridge, DAB）。DAB電路通常只能在較窄功率范圍內實現兩邊開關管的零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS），且控制相對較復雜。CLLLC電路由于自身諧振網絡的對稱結構、良好的軟開關特性，其對稱的電路結構不僅能保證雙向運行的一致性，正反向運行時均能在更寬的電壓范圍和功率變換范圍內實現零電壓導通和零電流關斷。此外，由于CLLLC諧振電流是正弦，其關斷損耗比電流為梯形的DAB更小，所以在工業中被廣泛使用。
在大電流應用場合中，由二極管正向壓降產生的損耗越來越大，為了提升諧振變換器效率和降低開關管溫度，減少損耗，常采用同步整流技術。傳統同步控制一般是采用同步整流芯片來實現，通過檢測開關管兩側的電壓或電流來控制開關管的導通和關斷，如有學者提出了采用專業芯片實現同步整流，但該類方法增加了外圍電路，針對雙向能量傳遞需要增加額外電路，結構更復雜。
針對車載動力電池等寬范圍電壓場合，需要的同步整流芯片耐壓值過高，同時額外的芯片和外圍電路的增加也會降低變換器的可靠性和效率，提升成本。需要說明的是，目前各芯片公司尚未能提供成熟的用于動力電池充放電功率及電壓等級的同步整流控制芯片。
針對CLLLC變換器的功率雙向流動特性和寬電壓應用場合，采用數字控制相比于模擬控制更加靈活和穩定。為此，有學者率先提出了數字同步控制，但未作出具體分析，且未通過實驗證明可行性；此外有學者提出數字化的同步整流控制，采用差分比較電路和高速比較器對同步開關器件漏源電壓過零點進行采樣，實現數字控制，但此種方法會增加硬件成本和復雜度，帶來額外采樣成本和損耗。
為解決車載充電器（OBC）系統的雙向CLLLC諧振變換器在寬范圍工作條件下效率過低、開關管溫度過高等問題，杭州電子科技大學區域能源互聯網技術浙江省工程實驗室、寧德時代新能源科技有限公司的研究人員廖嘉睿、杭麗君、但志敏、何遠彬、高錦鳳，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種新的數字同步整流控制策略。
圖1 開關管溫度對比
他們首先考慮同步開關器件特性和零電壓開通的條件，通過分析計算得到同步管驅動信號的開通延遲時間。其次，以CLLLC拓撲的脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation, PFM）控制模式為基礎，通過對不同工作頻率模態的分析，總結同步開關管與主動管關斷時間的關系，通過線性函數分段擬合的方法得到同步管關斷提前的時間。此方法相較于其他同步整流控制，利用純軟件實現了CLLLC同步整流，適用于大功率寬電壓場合，不受能量流動方向限制，能實現全頻率覆蓋，無需額外增加硬件成本，大大降低了硬件設計復雜度。
研究人員表示，該控制方法可針對實際變換器參數分散性和變化來設置擬合曲線裕度，不受母線電壓值及變化影響，由MCU數字芯片實現，較為簡單，適用性比現有模擬方案更強。而實驗結果表明，在大功率寬電壓應用中，在中、重載工況下，該策略能夠有效地降低開關管損耗，提高轉換效率，最高可以使系統效率提升3%左右，大大降低了同步開關管溫度和損耗，避免熱風險對樣機的危害。
本文編自2022年第14期《電工技術學報》，論文標題為“寬范圍CLLLC雙向同步整流數字控制方法”。本課題得到國家自然科學基金的支持。
