杭州电子科技大学科研人员提出车载充电器系统双向谐振变换器的数字同步整流控制方法

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随着新能源产业的不断发展，电动汽车凭借环保、节能等优点已成为未来新能源汽车产业的主流方向。在车载充电器（On Board Charger, OBC）、充电桩等应用领域，具有功率双向流动特性的隔离双向DC- DC变换器成为了研究热点。

目前，双向隔离DC- DC变换拓扑主要有双向谐振变换器（CLLLC）和双向有源全桥（Dual Active Bridge, DAB）。DAB电路通常只能在较窄功率范围内实现两边开关管的零电压软开关（Zero Voltage Switching, ZVS），且控制相对较复杂。CLLLC电路由于自身谐振网络的对称结构、良好的软开关特性，其对称的电路结构不仅能保证双向运行的一致性，正反向运行时均能在更宽的电压范围和功率变换范围内实现零电压导通和零电流关断。此外，由于CLLLC谐振电流是正弦，其关断损耗比电流为梯形的DAB更小，所以在工业中被广泛使用。

在大电流应用场合中，由二极管正向压降产生的损耗越来越大，为了提升谐振变换器效率和降低开关管温度，减少损耗，常采用同步整流技术。传统同步控制一般是采用同步整流芯片来实现，通过检测开关管两侧的电压或电流来控制开关管的导通和关断，如有学者提出了采用专业芯片实现同步整流，但该类方法增加了外围电路，针对双向能量传递需要增加额外电路，结构更复杂。

针对车载动力电池等宽范围电压场合，需要的同步整流芯片耐压值过高，同时额外的芯片和外围电路的增加也会降低变换器的可靠性和效率，提升成本。需要说明的是，目前各芯片公司尚未能提供成熟的用于动力电池充放电功率及电压等级的同步整流控制芯片。

针对CLLLC变换器的功率双向流动特性和宽电压应用场合，采用数字控制相比于模拟控制更加灵活和稳定。为此，有学者率先提出了数字同步控制，但未作出具体分析，且未通过实验证明可行性；此外有学者提出数字化的同步整流控制，采用差分比较电路和高速比较器对同步开关器件漏源电压过零点进行采样，实现数字控制，但此种方法会增加硬件成本和复杂度，带来额外采样成本和损耗。

为解决车载充电器（OBC）系统的双向CLLLC谐振变换器在宽范围工作条件下效率过低、开关管温度过高等问题，杭州电子科技大学区域能源互联网技术浙江省工程实验室、宁德时代新能源科技有限公司的研究人员廖嘉睿、杭丽君、但志敏、何远彬、高锦凤，在2022年第14期《电工技术学报》上撰文，提出一种新的数字同步整流控制策略。

图1 开关管温度对比

他们首先考虑同步开关器件特性和零电压开通的条件，通过分析计算得到同步管驱动信号的开通延迟时间。其次，以CLLLC拓扑的脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）控制模式为基础，通过对不同工作频率模态的分析，总结同步开关管与主动管关断时间的关系，通过线性函数分段拟合的方法得到同步管关断提前的时间。此方法相较于其他同步整流控制，利用纯软件实现了CLLLC同步整流，适用于大功率宽电压场合，不受能量流动方向限制，能实现全频率覆盖，无需额外增加硬件成本，大大降低了硬件设计复杂度。

研究人员表示，该控制方法可针对实际变换器参数分散性和变化来设置拟合曲线裕度，不受母线电压值及变化影响，由MCU数字芯片实现，较为简单，适用性比现有模拟方案更强。而实验结果表明，在大功率宽电压应用中，在中、重载工况下，该策略能够有效地降低开关管损耗，提高转换效率，最高可以使系统效率提升3%左右，大大降低了同步开关管温度和损耗，避免热风险对样机的危害。

本文编自2022年第14期《电工技术学报》，论文标题为“宽范围CLLLC双向同步整流数字控制方法”。本课题得到国家自然科学基金的支持。

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