快速充電用AC/DC電源設計

作者　 侍佳奇 許路 上海大學(xué)(上海 200072)

　　*2017“羅姆杯”上海大學(xué)大學(xué)生創(chuàng )新設計大賽最佳設計獎

摘要：提出了一種新型快速充電策略，并設計和制作了可滿(mǎn)足12 V/40 Ah鋰電池組快速充電需求的高功率密度AC/DC電源，介紹了AC/DC電源拓撲結構、關(guān)鍵元件選型及參數計算。快速充電器輸入PF大于0.98，額定工作點(diǎn)效率大于90%?？蓪?shí)現12.8 V/40 Ah鋰電池組3小時(shí)內100%SoC快速充電^[1]。

0 引言

　　鋰蓄電池組自身具備大電流充放電能力，常規快速充電技術(shù)可以實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)等機動(dòng)儲能設備的應急電能補充，但在鋰電池充電后期單節電池充電不平衡、快速充電器體積過(guò)大不宜便攜。本項目設計的快速充電器樣機體積小于8安培常規充電器，采用大電流充電+單節電池并聯(lián)浮充模式，鋰電池組可在2小時(shí)完成快速均衡充電。

　　隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)的發(fā)展、高頻開(kāi)關(guān)器件的誕生，開(kāi)關(guān)電源向著(zhù)高頻化、集成化和模塊化的方向發(fā)展。提高開(kāi)關(guān)頻率能夠減小裝置體積，提高設備的功率密度減小電源體積。諧振變換器由于其能實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，有效地減小了開(kāi)關(guān)損耗，使得頻率能進(jìn)一步提高，所以在高頻功率變換領(lǐng)域得到廣泛的重視和研究^[1]。為此本文設計了一款PFC+LLC帶有同步整流的快速充電系統設計。整機功率密度和效率優(yōu)于市售同類(lèi)產(chǎn)品。

1 系統方案設計

　　1.1 總體方案

　　快速充電器樣機采用PFC+LLC+SR拓撲，電路如圖1所示。PFC電路工作在CCM模式，開(kāi)關(guān)頻率65 kHz。電路選用羅姆公司SCS206AG碳化硅二極管，其反向恢復電流小于50微安，CCM模式可以有效減小共模濾波器的體積及MOSFET電流應力。PFC電路輸出電壓390 V。LLC諧振變換器控制芯片采用安森美公司NCP1399，其為電流模式的諧振控制器，較傳統的電壓模式控制器有著(zhù)更好的動(dòng)態(tài)響應以及快速穩定諧振腔的啟動(dòng)順序和低的輕載損耗^[3]?；贗R1168的同步整流電路有效提高整機效率。

　　1.2 AC/DC電源樣機基本參數：

　　輸入電壓：AC 85~265 V

　　輸入頻率：47~63 Hz

　　輸出電壓：DC 14.6 V

　　輸出電流：額定值15 A(限流值20 A)

　　PF值：0.98+

　　效率：0.90(額定負載)

　　紋波電壓：30 mV(RMS)，50 mV(Vpp)

　　1.3 參數計算及元件選型

　　1.3.1 PFC參數計算及元器件選擇

　　交流平均最大輸出電流：

　　鐵芯材料可選取具有分布氣隙的鐵粉芯，鐵硅鋁或者磁粉芯(MPP)，鐵粉芯價(jià)格最低但是損耗太大不適合用作PFC電感;磁粉芯(MPP)損耗小但是價(jià)格較高，在一般應用中不太適合。鐵硅鋁價(jià)格適中，損耗比磁粉芯大，但比鐵粉芯小很多一般應用可以接受。本次設計中選用美磁公司的環(huán)形鐵芯(0077930A7)。

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　　MOS管選擇ROHM公司的R6007KNJ，其結電容較小可以減小MOS的開(kāi)關(guān)損耗。小電流的MOS管通態(tài)電阻較大(0.7 Ω)可以選擇兩個(gè)并聯(lián)減小通態(tài)損耗。二極管選擇ROHM公司的碳化硅二極管SCS206AG，由于碳化硅二極管不存在反向恢復問(wèn)題。在連續模式的PFC中，二極管關(guān)斷之前存在較大流通電流，如果使用傳統快恢復二極管或者超快恢復二極管由于其反向恢復特性會(huì )導致瞬間較大的直通電流，造成二極管損耗變大并且電磁干擾大?？刂菩酒x用TI的UCC28019，這是一款寬范圍電壓輸入的頻率固定的PFC專(zhuān)用芯片，帶有過(guò)壓和欠壓保護，并且具有逐周期電流檢測的限流功能。

　　1.3.2 LLC參數計算

　　設定開(kāi)關(guān)頻率85 K~220 K(諧振頻率100 K)

　　匝比計算：

　　變壓器磁芯選擇TDK PC95鐵芯，考慮變壓器鐵芯高頻損耗，取鐵芯最大磁通密度幅500 Gs。其鐵芯損耗曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，利茲線(xiàn)繞組設計保證200 kHz時(shí)導線(xiàn)交流電阻和直流電阻一致^[4]。

　　趨膚深度： (15)

　　導線(xiàn)直徑d=2r≈0.3 mm ，導線(xiàn)截面積S=πr²=0.0688 mm²

　　二次側電流最大為15 A，自然風(fēng)冷的情況下取4 A/mm²，電流則需3.725 A。需要的股數為。故利茲線(xiàn)可選取0.3*50股。

　　選擇羅姆公司功率場(chǎng)效應管SCT3080AL，Qgs僅為14 nC，通態(tài)電阻小于80 mΩ?？刂菩酒捎肗CP1399。

　　1.3.3 同步整流及輔助電源設計

　　采用羅姆公司RD3L08CNG實(shí)現輸出同步整流,其通態(tài)電阻小于7 mΩ(10 V驅動(dòng)電壓)通態(tài)損耗可較二極管輸出大大減小。同步整流驅動(dòng)芯片采用IR公司的IR1168S,其最大開(kāi)關(guān)頻率為500 K，具有輸出電壓箝位功能，驅動(dòng)峰值電流達4A。

　　采用羅姆公司的BM2P039,該芯片內部集成了MOS可高壓?jiǎn)?dòng)，并且帶有調頻功能可減小EMI干擾減小空載損耗。

　　1.3.4 保護電路

　　系統具有過(guò)溫過(guò)流保護，實(shí)時(shí)監測二次側采樣電阻電壓，經(jīng)光耦反饋至一次側控制單元實(shí)現過(guò)流保護。目前專(zhuān)用IC可以直接檢測一次側電流實(shí)現過(guò)流保護。

　　采用熱敏電阻等溫度傳感器檢測電源關(guān)鍵發(fā)熱點(diǎn)溫度，實(shí)現過(guò)溫保護。

2 樣機測試

　　滿(mǎn)載工況(14.6 V，15 A輸出)下，電源輸入電壓電流波形如圖3所示，實(shí)測PF值大于0.98。電源效率如表1所示。

　　12.8 V/40 Ah磷酸鐵鋰蓄電池組充放電循環(huán)實(shí)驗，鋰電池組100%SoC浮充電壓及恒流放電電量對比如圖4所示。

　　對比常規充電方式，快速充電+并聯(lián)浮充的充電方案能夠在3小時(shí)內完成100%SoC充電，磷酸鐵鋰蓄電池組推薦浮充電壓14.6 V，采用并聯(lián)浮充方式可以保證單節電池浮充電壓為3.65V，完成充電后蓄電池組開(kāi)路電壓平均值13.999。15 A恒流平均放電時(shí)間9361.429 s，等效容量39 Ah。8 A常規充電，充電時(shí)間接近6小時(shí)，相同浮充電壓(14.6 V)下，蓄電池組平均開(kāi)路電壓13.448 V，有效平均放電時(shí)間8897.143 s，等效容量37 Ah。

　　參考文獻：

　　[1]B Yang.Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System,2003.

　　[2]UCC28019 Datasheet[DB/OL].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ucc28019.pdf.

　　[3]NCP1399 Datasheet[DB/OL].https://www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1399-D.PDF.

　　[4]趙修科 《開(kāi)關(guān)電源中磁性元器件》 2004

　　[5]SCT3080AL Datasheet[DB/OL].http://www.rohm.com.cn/web/china/datasheet/SCT3080AL/sct3080al-e.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第49頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。