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1、 大比特资讯 http:/mag.big- 380V 交流电转换成 750V 的直流电压，其前级通常采用三相 PFC 电路，后级 DCDC 模块通常采用三电平 LLC 电路进行功率调节，整个电源模块包含 PFC 电感、谐振电感、变压器及 EMI 滤波电感等众多磁元件，磁性器件在体积和损耗上都占了很大一部分。本文通过分析各类磁性器件实际工作的电压电流特点，从磁芯损耗和绕组损耗出发，结合仿真对不同类型的磁性器件进行优化设计，最终提高充电桩电源模块的效率。关键词：充电桩；磁性器件；绕组损耗；优化设计；Optimal Design of Magnetic Components in DC Chargi
2、ng PilesFengchun Ye1 Qingnbin Chen2 Wei Chen3(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University Fuzhou,350108)Abstract: The DC charging piles convert three phase 380V AC to 750V DC, the front stage usually adopts the three phase PFC circuit. And the next stage adopts the three leve
3、l LLC resonant DC/DC converter. So the whole power module contains several magnetic component such as PFC inductance、resonance inductance、transformer 大比特资讯 http:/mag.big- EMI filter. The magnetic component occupied a large part in volume and the loss. The paper analysis the actual voltage and curren
4、t characteristic in these magnetic component, consider the core loss and the winding loss, then optimized the magnetic component with the help of the simulation tool. Finally improve the efficiency of the power module.Key words: charging pile; magnetic component; winding loss; optimize design;1 引言随着
5、新能源汽车的日益普及，电动汽车的充电基础设施建设市场规模逐年增长，充电桩设备也迎来新一轮爆发时期。电动汽车充电桩主要包括功率单元、控制单元、计费单元、配电单元以及充电枪和机壳组成，其中最核心的部分就是功率电源模块。功率电源模块通常由 PFC 及 DC/DC 两级电路构成，功率等级在 5 千瓦到 15 千瓦不等，而其中 PFC 电感、变压器、滤波电感等磁元件在体积及重量上占了 20%30%，电源模块的很大一部分损耗都是集中在磁元件损耗上。电源模块电路输入通常由三相 380V/50Hz 经三相 PFC 电路直流输出，再通过隔离型 DC/DC 变换电路对输出电压进行范围调节。三电平半桥 LLC 电路
6、因其成本低、控制简单、效率高等优点常作为充电桩电源模块 DC/DC 电路部分。LLC变压器可采用集成谐振电感或者外置谐振电感，集成谐振电感可以省下一个磁性元件，节省成本，外置谐振电感工艺简单些，可以采用较好的材质做谐振电 大比特资讯 http:/mag.big- 1所示的三电平半桥 LLC 电路拓扑，分析变压器和谐振电感的电压电流，通过对磁芯损耗与绕组损耗的优化设计，降低变压器的损耗，提高变换器的效率，同时对 PFC 电感进行优化设计，达到节能减排的效果。图 1 三电平半桥 LLC谐振变换器电路VinC1C2D1D2S1S2S3S4D5D6D7D8D3D4C3TLrCrR拓扑2 三电平半桥 L
7、LC拓扑2.1 稳态分析为了分析方便，假定所有电路元件均为理想的集总参数元件，四个开关管S1S4以及二极管 D1、D 2构成了半桥三电平电路结构，副边全桥整流后经 C5滤波给负载供电。电路工作时序波形如图 2 所示。开关管 S1、S 2驱动相同，S 3、S 4驱动相同，只是 S2和 S3稍微滞后一段时间关断。电路工作状态可以分为八个阶段，由于前半周期和后半周期工作原理相同，故仅分析前半部分电路工作状态。 大比特资讯 http:/mag.big- t0-t1 阶段：在 t0 时刻 S1和 S2导通，L r与 Cr谐振，副边整流桥 D5和 D8导通，谐振电流流经 S1、S 2、L r、C r、C
8、1构成的回路。变压器原边电流 ip成正弦上升，励磁电流 iLm线性上升。2） t1-t2 阶段：在 t1 时刻变压器原边电流 ip与 iLm相等，副边电流下降为0，此时整流二极管 d5、d6 实现零电流关断，谐振回路由 LrCr和 Lm构成，由于励磁电感 Lm相比于 Lr大得多，故谐振周期也要长得多，原边电流可以认为近似维持不变。3） t2-t3 阶段：在 t2 时刻 S1关断，S 2延迟到 t3 时刻关断，在 t2 时刻原边电流 ip将 S1两端等效电容充电至 Vin/2，原边电流流经 D1、S 2、L r、L m、C r续流。4） t3-t4 阶段：在 t3 时刻 S2关断，由于 C2限制
9、了开关 S2两端的电压变化，故 S2实现零电压关断，同时 S3两端等效电容放电至 0，原边电流经 S3、S 4的体二极管续流，L m退出谐振，谐振回路由 Lr和 Cr构成，副边整流桥 D6、D 7导通，此时 iLm线性减小。t4 时刻 S3和 S4同时导通，实现零电压导通。 大比特资讯 http:/mag.big- t1t2t3t4 t5t6t7t8VgsVgsVds1Vds2Vds3Vds4ipS1 S4 S1S2 S2S3ipiLm图 2 电路工作主要波形图下半周期电路工作与上半周期相同，可以看出，主开关管全部工作在零电压开关状态，且副边整流二极管均工作在零电流开关状态，整个电路效率很高。
10、2.2 仿真验证在电路仿真软件 Saber 中搭建该三电平半桥 LLC 电路进行仿真，输入侧直流 800V，输出功率 15kW。变压器原副边电流波形及其傅里叶分解波形如图 3 所示。 大比特资讯 http:/mag.big- 3 变压器原边电流图 4 变压器副边电流由仿真结果可以看出，原副边电流主要集中在谐振频率及三倍频谐波电流分量上。 大比特资讯 http:/mag.big- 磁性元件损耗分析三电平半桥 LLC 电路包含了谐振电感及变压器两类磁元件，磁性元件的损耗又可以分为磁芯损耗和绕组损耗，下面对这两类损耗分别进行分析。3.1 磁芯损耗磁芯损耗是磁性元件损耗的很大一部分，C. P.Stei
11、nmetz 最 早 提 出 了 经典 的 Steinmetz 公式（ SE）用于计算正弦波激励下的磁芯损耗。 )(_BfKPcore其中 K、a、 均为常数从式中可以看出，增大绕组匝数可以减小磁芯损耗，但增大匝数同时也会增加绕组的交流电阻和直流电阻，总损耗不一定会降低，故需对绕组损耗进行评估设计。精确的磁芯损耗数据可以帮助设计者选择合适的磁芯，减小功率变换器的体积，降低成本，提高可靠性。对于磁芯损耗的优化，也可以选用较低损耗特性的磁芯材料。3.2 绕组损耗绕组损耗的计算与其流经的电流波形息息相关，对于 PFC 电感，其电流纹波较大，谐波成分也大，且有直流偏磁。谐振电感和变压器纹波电流大，而谐波
12、成分小且无直流偏磁。绕组损耗可以分为邻近效应引起的损耗和趋肤效应引起的损耗，通常 PFC 电感使用圆导线作为绕组材料，谐振电感和变压器常用 大比特资讯 http:/mag.big- 线作为绕组材料。 toalskinproP3.2.1 PFC电感优化PFC 电感使用圆导线作为绕组材料，圆导线趋肤效应损耗较大，邻近效应损耗较小，PFC 电感电流谐波主要分布在工频 50Hz 及开关频率 22.5kHz 上，因此既要考察其直流电阻和交流电阻。直流电阻随着线径的增大而减小，交流电阻随着线径的增大而增大，总的绕组损耗随着线径变化存在一个最小值。在 maxwell 软件中建立 PFC 电感仿真模型，如图
13、5 所示。对线径从 0.6 到1.8mm 进行扫描仿真，在 50Hz 和 22.5kHz 下得到两组损耗随着线径变化的曲线，从而得到各次谐波对应的交流电阻。则总损耗 Pw为：222201.wdcacackdcPIRIRI其中 Ik为第 K 次电流谐波有效值，R kac第 k 次谐波对应的交流电阻。从而可以得到总损耗随着线径变化的曲线，如图所示。 大比特资讯 http:/mag.big- 5 PFC电感仿真模型图 6 PFC电感损耗曲线可以看出，随着线径的增大绕组损耗明显减小，但其损耗在 1.2mm 至 1.8mm范围内变化不大，综合考虑可以采用两股 1.2mm 的铜线进行绕制，则每股电流为原来
14、电流的一半，损耗降为原设计的一半左右。3.2.2 谐振电感优化谐振电感采用 litz 线作为绕组材料，litz 线作为高频磁元件的常用材料，相比于圆导线其趋肤效应损耗较小，但内部邻近效应损耗较大，litz 线的优化主要从线径和股数两方面考虑，股数越多直流电阻越小，但其内部邻近效应越强，因此需要选择具有最小损耗的线径和股数。谐振电感通过开气隙控制电感量，带气隙的电感器磁场窗口磁通分布复杂。气隙扩散磁通会在绕组上引起涡流损耗，因此可以采用气隙避让技术，通常避 大比特资讯 http:/mag.big- 3-4 个气隙长度进行绕制，或可考虑采用分布气隙，样机所用谐振电感将气隙开在边柱上，可以考虑在中柱上采用分布气隙技术。在 maxwell 软件中搭建谐振电感仿真模型，如图 7 所示，比较气隙所开位置对绕组损耗的影响。仿真结果如图 8 所示，可以看出，采用分布气隙可以有效降低谐振电感的损耗，且边柱无气隙可以减小气隙扩散磁通对其他电路元件之间的耦合，降低对 EMI 的影响。图 7 谐振电感仿真模型图 8 谐振电感仿真结果3.2.3 变压器的优化变压器的
