1. ?設(shè)計需求分析

->?功率等級：20kW，適用于充電樁內(nèi)部電源模塊。

->?輸入電壓：三相230V AC，頻率50Hz。

->?輸出參數(shù)：電壓250~500V可調(diào)，電流0~40A可調(diào)。

->?PFC整流要求：具備高功率因素（PF>99%）。

->?低成本：開關(guān)管選用普通MOS管。

2. ?拓撲結(jié)構(gòu)選擇

VIENNA_Ⅱ+對稱全橋LLC：常見的三相PFC拓撲有VIENNA_I和VIENNA_Ⅱ，VIENNA_I需要的開關(guān)管個數(shù)要比VIENNA_II多12個二極管，出于成本和拓撲的簡易特性，我們選用VIENNA_Ⅱ拓撲作為升壓升壓整流電路；   普通的MOS管額定電壓為650V，前級PFC整流輸出電壓高達800V，考慮到DC模塊輸出電壓為500V40A，LLC選用上下母線對稱全橋LLC，LLC全橋管子承受電壓為母線總電壓的一半，同時對稱全橋LLC后級輸出并聯(lián)輸出能夠自動均衡前級正負母線電壓，無需前級PFC進行控制，簡化控制系統(tǒng)。

3. ?控制策略

• PWM調(diào)制：采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）生成高質(zhì)量的正弦波。
• 鎖相環(huán)（PLL）：實現(xiàn)與電網(wǎng)的同步，確保輸出頻率和相位與電網(wǎng)一致。
• DQ控制：利用坐標變換，將三相交流量變換成DQ變量，實現(xiàn)有功無功的精準控制。
• LLC雙環(huán)競爭控制：電池電壓和電流環(huán)競爭控制，確保充電模塊輸出安全可靠。

4. ?PFC整流實現(xiàn)

A ->PFC拓撲選擇

             常見的三相PFC拓撲有VIENNA_I和VIENNA_Ⅱ，考慮成本和拓撲走線布局原因選用VIENNA_Ⅱ，MOS管規(guī)格選用650V40mΩ，二極管規(guī)格選用600V60A。

B->PFC控制實現(xiàn)

       使用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PLL（dq-PLL）對市電相位進行跟蹤，實現(xiàn)市電相位的實時跟蹤確保整流高PF值。PFC控制采用DQ坐標變換，將三相電壓電流交流量變換成DQ直流量，然后對DQ直流量進行PI控制，最后將DQ控制的輸出進行逆變換，生成三相SPWM；

B1.基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PLL（dq-PLL），算法流程圖如下：

dq-PLL算法如下：

使用PSIM仿真軟件搭建基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的PLL如下：

仿真波形：

B2.PFC控制算法

PFC控制采用DQ坐標變換，將三相電壓電流交流量變換成DQ直流量，然后對DQ直流量進行PI控制，最后將DQ控制的輸出進行逆變換，生成三相SPWM；

PFC閉環(huán)系統(tǒng)如下：

仿真結(jié)果如下：

5.  DCDC控制實現(xiàn)

A ->LLC拓撲選擇

輸出500V40A這個規(guī)格的LLC，選用三電平半橋LLC單個管子無法做到這么大電流輸出，管子并聯(lián)或者兩路三電平LLC半橋，一個是成本問題，另一個是可靠性問題；綜合考慮選擇了上下對稱的全橋LLC，上下母線分別接入全橋LLC，后級LLC輸出并聯(lián)，每路全橋LLC輸出功率為500V20A，同時由于后級輸出并聯(lián)，還能自動平衡前級上下母線平衡，提高系統(tǒng)可靠性。

B->LLC控制策略

為了保證充電模塊輸出安全可靠，采用了電壓和電流雙環(huán)競爭的控制策略，控制框架如下：

使用PSIM仿真軟件搭建LLC控制系統(tǒng)如下如下：

仿真波形：設(shè)定繼電器0.5S切換負載，電流環(huán)跟電壓環(huán)之間切換順暢。

6.  充電模塊系統(tǒng)仿真

前面已經(jīng)實現(xiàn)了PFC閉環(huán)系統(tǒng)和三電平LLC閉環(huán)系統(tǒng)，將PFC系統(tǒng)的直流輸出接到LLC的直流輸入，整個充電模塊系統(tǒng)功能即可實現(xiàn)；仿真系統(tǒng)如下：

仿真波形如下：

7.  系統(tǒng)總結(jié)

        上文通過對充電模塊需求分析，選擇了最適合的PFC和DCDC拓撲方案，通過仿真驗證了PFC閉環(huán)控制系統(tǒng)、對稱LLC閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后將PFC和LLC結(jié)合搭建了充電模塊的系統(tǒng)仿真，并通過仿真波形驗證了該方案的可行性。