1. ?設計需求分析

->?功率等級：20kW，適用于充電樁內部電源模塊。

->?輸入電壓：三相230V AC，頻率50Hz。

->?輸出參數：電壓250~500V可調，電流0~40A可調。

->?PFC整流要求：具備高功率因素（PF>99%）。

->?低成本：開關管選用普通MOS管。

2. ?拓撲結構選擇

VIENNA_Ⅱ+對稱全橋LLC：常見的三相PFC拓撲有VIENNA_I和VIENNA_Ⅱ，VIENNA_I需要的開關管個數要比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。

3. ?控制策略

• PWM調制：采用正弦脈寬調制（SPWM）生成高質量的正弦波。
• 鎖相環（PLL）：實現與電網的同步，確保輸出頻率和相位與電網一致。
• DQ控制：利用坐標變換，將三相交流量變換成DQ變量，實現有功無功的精準控制。
• LLC雙環競爭控制：電池電壓和電流環競爭控制，確保充電模塊輸出安全可靠。

4. ?PFC整流實現

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管規格選用650V40mΩ，二極管規格選用600V60A。

B->PFC控制實現

       使用基于同步旋轉坐標系的PLL（dq-PLL）對市電相位進行跟蹤，實現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閉環系統如下：

仿真結果如下：

5.  DCDC控制實現

A ->LLC拓撲選擇

輸出500V40A這個規格的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，每路全橋LLC輸出功率為500V20A，同時由于后級輸出并聯，還能自動平衡前級上下母線平衡，提高系統可靠性。

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控制系統如下如下：

仿真波形：設定繼電器0.5S切換負載，電流環跟電壓環之間切換順暢。

6.  充電模塊系統仿真

前面已經實現了PFC閉環系統和三電平LLC閉環系統，將PFC系統的直流輸出接到LLC的直流輸入，整個充電模塊系統功能即可實現；仿真系統如下：

仿真波形如下：

7.  系統總結

        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閉環控制系統、對稱LLC閉環控制系統，最后將PFC和LLC結合搭建了充電模塊的系統仿真，并通過仿真波形驗證了該方案的可行性。