1 引言

电动汽车（EV）作为清洁能源交通的重要组成部分，其充电基础设施的建设和优化至关重要。充电模块作为充电桩的核心部件，直接影响充电效率、功率密度和系统可靠性。目前，充电模块的设计趋向于高效率、高功率密度和低谐波失真。三电平VIENNA整流器因其低开关损耗和高功率因数校正（PFC）性能，成为前端整流器的理想选择。而LLC谐振变换器因其软开关特性和高效率，广泛应用于直流-直流（DC-DC）变换阶段。本文设计了一种40kW电动汽车充电模块，采用三电平VIENNA整流器作为前端PFC电路，LLC谐振变换器作为DC-DC变换电路。通过理论分析、仿真验证和实验测试，全面探讨了系统的设计方法和性能优化策略。

2 三电平VIENNA整流器的基本原理与控制方法

2.1 三电平VIENNA整流器的基本工作原理

三电平VIENNA整流器是一种无桥PFC拓扑结构，具有低开关损耗和高效率的特点。其核心工作原理是通过控制开关管的导通与关断，将输入交流电压转换为三电平直流电压。VIENNA整流器通过中点钳位技术，实现了输出电压的三电平特性，从而降低了输出电压的谐波含量和开关损耗。

2.2 三电平VIENNA整流器的控制方法

2.2.1 单周期控制

单周期控制是一种基于开关周期的非线性控制方法，其核心思想是通过在每个开关周期内调节占空比，使输入电流与输入电压保持同相位，从而实现功率因数校正（PFC）。该方法通过采样输入电压和电流，结合输出电压反馈，实时计算并调整占空比，确保系统在每个开关周期内达到能量平衡。单周期控制的优势在于实现简单、动态响应快，适用于对控制复杂度要求较低的应用场景。然而，由于其对系统参数变化和外部干扰较为敏感，抗干扰能力较弱，可能导致在负载突变或输入电压波动时性能下降。

2.2.2 滞环电流控制

滞环电流控制是一种基于电流跟踪的控制策略，通过设定电流的上下限阈值，实时调节开关状态，使输入电流在参考电流附近波动。当电流超过上限阈值时，开关管关断；当电流低于下限阈值时，开关管导通。这种控制方式具有高动态性能和强抗干扰能力，能够快速响应负载变化和输入电压波动。然而，滞环电流控制的开关频率不固定，可能导致电磁干扰（EMI）问题，增加滤波电路的设计难度。此外，开关频率的变化也会影响系统的效率和功率密度。

2.2.3 平均电流控制

平均电流控制是一种基于电流平均值的控制方法，通过调节开关占空比，使输入电流的平均值精确跟踪参考电流。该方法通常采用电流内环和电压外环的双环控制结构，电流内环用于控制输入电流，电压外环用于稳定输出电压。平均电流控制的优势在于开关频率固定，电流纹波小，能够有效降低EMI问题，适用于对电流精度要求较高的应用场景。然而，由于其控制算法较为复杂，需要高精度的电流采样和快速的计算能力，增加了硬件和软件的实现难度。

2.3 直流母线电压交流波动和直流偏差的原因及解决

在电力系统中，直流母线电压的交流波动和直流偏差问题不容忽视，其成因较为复杂。输入电压并非恒定不变，电网自身的波动以及供电侧的不稳定因素，都会导致输入电压出现波动，进而影响直流母线电压。而负载的突然变化，例如大功率设备的启停，会瞬间改变电路中的电流需求，造成直流母线电压产生波动和偏差。控制环路的延迟也在其中起到推波助澜的作用，当系统需要对电压变化做出调节时，控制环路无法及时响应，导致电压偏差进一步扩大。针对这些问题，可采取一系列有效措施。通过优化控制环路参数，让系统能够更灵敏、精准地对电压变化做出反应。增加前馈补偿，提前感知输入电压的变化并进行补偿，减少波动影响。使用高精度传感器，提升对电压、电流等信号的检测精度，为控制系统提供更准确的数据，从而有效抑制直流母线电压的波动和偏差，保障电力系统稳定运行[1]。

3 VIENNA整流器及LLC谐振变换器的设计及仿真

3.1 VIENNA整流模块的设计

VIENNA整流模块的设计包括功率电路和控制环路两部分。功率电路由输入滤波器、开关管、二极管和中点钳位电容组成，输入滤波器用于抑制高频噪声，开关管和二极管实现整流功能，中点钳位电容则用于平衡输出电压。通过合理选择开关管的导通电阻和开关频率，以及优化电容的容量和耐压值，可以有效降低开关损耗，提高系统效率。控制环路设计是VIENNA整流器的核心，包括电流环和电压环。电流环通过调节开关管的占空比，实现输入电流与输入电压的同相位，完成功率因数校正（PFC）；电压环则通过反馈控制稳定直流母线电压，确保输出电压的稳定性。通过优化电流环和电压环的比例-积分（PI）参数，可以提高系统的动态响应能力和抗干扰性能，从而在负载突变或输入电压波动时保持稳定运行。功率电路与控制环路的协同设计，使VIENNA整流器在高效、低谐波和高可靠性方面表现出色，适用于电动汽车充电模块等高功率应用场景。

3.2 LLC全桥谐振变换器的设计

交错并联的LLC全桥谐振变换器通过将多个LLC谐振变换器并联运行，能够有效降低输出电流纹波，同时提高系统的功率密度和可靠性。这种结构不仅分担了单个变换器的负载压力，还通过相位交错控制减少了输入和输出滤波器的需求。在设计过程中，基于基波近似法（FHA），可以将LLC谐振变换器等效为线性电路，从而简化谐振参数的设计过程。FHA方法通过将非线性系统近似为线性系统，使得谐振频率、增益特性等关键参数的计算更加直观和高效。谐振参数的设计是LLC变换器的核心，包括谐振电感、谐振电容和变压器励磁电感。通过合理选择这些参数，可以实现软开关特性，显著降低开关损耗，提高系统效率。例如，谐振电感和电容的匹配决定了谐振频率，而变压器励磁电感则影响增益范围和软开关的实现条件。综合优化这些参数，不仅能够提升变换器的性能，还能确保其在宽负载范围内稳定运行，满足高功率应用的需求。

3.3 仿真与总结

在电力电子研究中，借助Matlab/Simulink强大的仿真功能，精心搭建关于VIENNA整流器和LLC谐振变换器的仿真模型。在模型搭建过程中，对各项参数进行细致设置，模拟真实运行环境。仿真运行后，获得的结果令人欣喜。系统在运行时展现出高效率，能源转换损耗低，能有效节约能源。同时，低谐波特性显著，减少了对电网的污染。面对负载变化，系统还具备高动态响应能力，能够快速调整状态，确保输出稳定，充分验证了这两种变换器良好的性能[2]。

4 结论

本文设计了一种基于三电平VIENNA整流器和LLC谐振变换器的40kW电动汽车充电模块。通过理论分析、仿真验证和实验测试，验证了系统的高效率、低谐波和高可靠性。该充电模块适用于电动汽车充电系统，具有广泛的应用前景。未来可进一步研究系统在更高功率等级和更复杂工况下的性能优化策略。

参考文献：

[1]龚仁喜,王奇,黎洛琦.一种基于滑模变结构的电压型SEPIC变换器混沌控制方法[J].电测与仪表, 2024, 61(7):177-183.

[2]张春雷.高功率因数AC/DC变换器控制技术研究[D].哈尔滨工程大学,2021.