快速充电用AC/DC电源设计

作者　 侍佳奇 许路 上海大学(上海 200072)

　　*2017“罗姆杯”上海大学大学生创新设计大赛最佳设计奖

摘要：提出了一种新型快速充电策略，并设计和制作了可满足12 V/40 Ah锂电池组快速充电需求的高功率密度AC/DC电源，介绍了AC/DC电源拓扑结构、关键元件选型及参数计算。快速充电器输入PF大于0.98，额定工作点效率大于90%。可实现12.8 V/40 Ah锂电池组3小时内100%SoC快速充电^[1]。

0 引言

　　锂蓄电池组自身具备大电流充放电能力，常规快速充电技术可以实现电动汽车等机动储能设备的应急电能补充，但在锂电池充电后期单节电池充电不平衡、快速充电器体积过大不宜便携。本项目设计的快速充电器样机体积小于8安培常规充电器，采用大电流充电+单节电池并联浮充模式，锂电池组可在2小时完成快速均衡充电。

　　随着现代电力电子技术的发展、高频开关器件的诞生，开关电源向着高频化、集成化和模块化的方向发展。提高开关频率能够减小装置体积，提高设备的功率密度减小电源体积。谐振变换器由于其能实现软开关，有效地减小了开关损耗，使得频率能进一步提高，所以在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究^[1]。为此本文设计了一款PFC+LLC带有同步整流的快速充电系统设计。整机功率密度和效率优于市售同类产品。

1 系统方案设计

　　1.1 总体方案

　　快速充电器样机采用PFC+LLC+SR拓扑，电路如图1所示。PFC电路工作在CCM模式，开关频率65 kHz。电路选用罗姆公司SCS206AG碳化硅二极管，其反向恢复电流小于50微安，CCM模式可以有效减小共模滤波器的体积及MOSFET电流应力。PFC电路输出电压390 V。LLC谐振变换器控制芯片采用安森美公司NCP1399，其为电流模式的谐振控制器，较传统的电压模式控制器有着更好的动态响应以及快速稳定谐振腔的启动顺序和低的轻载损耗^[3]。基于IR1168的同步整流电路有效提高整机效率。

　　1.2 AC/DC电源样机基本参数：

　　输入电压：AC 85~265 V

　　输入频率：47~63 Hz

　　输出电压：DC 14.6 V

　　输出电流：额定值15 A(限流值20 A)

　　PF值：0.98+

　　效率：0.90(额定负载)

　　纹波电压：30 mV(RMS)，50 mV(Vpp)

　　1.3 参数计算及元件选型

　　1.3.1 PFC参数计算及元器件选择

　　交流平均最大输出电流：

　　铁芯材料可选取具有分布气隙的铁粉芯，铁硅铝或者磁粉芯(MPP)，铁粉芯价格最低但是损耗太大不适合用作PFC电感;磁粉芯(MPP)损耗小但是价格较高，在一般应用中不太适合。铁硅铝价格适中，损耗比磁粉芯大，但比铁粉芯小很多一般应用可以接受。本次设计中选用美磁公司的环形铁芯(0077930A7)。

　⑻

　　MOS管选择ROHM公司的R6007KNJ，其结电容较小可以减小MOS的开关损耗。小电流的MOS管通态电阻较大(0.7 Ω)可以选择两个并联减小通态损耗。二极管选择ROHM公司的碳化硅二极管SCS206AG，由于碳化硅二极管不存在反向恢复问题。在连续模式的PFC中，二极管关断之前存在较大流通电流，如果使用传统快恢复二极管或者超快恢复二极管由于其反向恢复特性会导致瞬间较大的直通电流，造成二极管损耗变大并且电磁干扰大。控制芯片选用TI的UCC28019，这是一款宽范围电压输入的频率固定的PFC专用芯片，带有过压和欠压保护，并且具有逐周期电流检测的限流功能。

　　1.3.2 LLC参数计算

　　设定开关频率85 K~220 K(谐振频率100 K)

　　匝比计算：

　　变压器磁芯选择TDK PC95铁芯，考虑变压器铁芯高频损耗，取铁芯最大磁通密度幅500 Gs。其铁芯损耗曲线见图2，利兹线绕组设计保证200 kHz时导线交流电阻和直流电阻一致^[4]。

　　趋肤深度： (15)

　　导线直径d=2r≈0.3 mm ，导线截面积S=πr²=0.0688 mm²

　　二次侧电流最大为15 A，自然风冷的情况下取4 A/mm²，电流则需3.725 A。需要的股数为。故利兹线可选取0.3*50股。

　　选择罗姆公司功率场效应管SCT3080AL，Qgs仅为14 nC，通态电阻小于80 mΩ。控制芯片采用NCP1399。

　　1.3.3 同步整流及辅助电源设计

　　采用罗姆公司RD3L08CNG实现输出同步整流,其通态电阻小于7 mΩ(10 V驱动电压)通态损耗可较二极管输出大大减小。同步整流驱动芯片采用IR公司的IR1168S,其最大开关频率为500 K，具有输出电压箝位功能，驱动峰值电流达4A。

　　采用罗姆公司的BM2P039,该芯片内部集成了MOS可高压启动，并且带有调频功能可减小EMI干扰减小空载损耗。

　　1.3.4 保护电路

　　系统具有过温过流保护，实时监测二次侧采样电阻电压，经光耦反馈至一次侧控制单元实现过流保护。目前专用IC可以直接检测一次侧电流实现过流保护。

　　采用热敏电阻等温度传感器检测电源关键发热点温度，实现过温保护。

2 样机测试

　　满载工况(14.6 V，15 A输出)下，电源输入电压电流波形如图3所示，实测PF值大于0.98。电源效率如表1所示。

　　12.8 V/40 Ah磷酸铁锂蓄电池组充放电循环实验，锂电池组100%SoC浮充电压及恒流放电电量对比如图4所示。

　　对比常规充电方式，快速充电+并联浮充的充电方案能够在3小时内完成100%SoC充电，磷酸铁锂蓄电池组推荐浮充电压14.6 V，采用并联浮充方式可以保证单节电池浮充电压为3.65V，完成充电后蓄电池组开路电压平均值13.999。15 A恒流平均放电时间9361.429 s，等效容量39 Ah。8 A常规充电，充电时间接近6小时，相同浮充电压(14.6 V)下，蓄电池组平均开路电压13.448 V，有效平均放电时间8897.143 s，等效容量37 Ah。

　　参考文献：

　　[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]赵修科 《开关电源中磁性元器件》 2004

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

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第8期第49页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。