车载OBC设定平衡 PFC（功率因数校正）和 LLC（谐振变换器）的开关频率分析

原创 磁性元器达人 磁性元件达人 2025年12月15日 06:49 广东 

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在 6.6kW 车载充电机（OBC）设计中，平衡 PFC（功率因数校正）和 LLC（谐振变换器）的开关频率是决定整机效率、功率密度和热分布的关键。这不仅仅是两个数字的对比，而是一个涉及磁性元件体积、半导体损耗和控制复杂度的多维权衡问题。

以下是详细的平衡策略与设计流程：

1. 核心设计原则：效率与体积的折衷

   频率越高 ，磁元件体积越小，但损耗越大

       提高频率可以减小磁性元件（电感、变压器）的体积，提升功率密度。

       但频率升高会增加开关损耗（尤其是二极管反向恢复损耗）和磁芯损耗。

   频率越低 rightarrow 效率越高，但体积越大

       低频率有利于实现软开关（ZVS/ZCS），降低半导体应力。

       但需要更大的磁芯，导致重量增加和成本上升。

2. PFC 与 LLC 频率的典型关系

在 6.6kW OBC 中，通常采用 “前级 PFC + 后级 LLC” 架构。两者的频率关系通常遵循以下三种模式：

模式 A：固定比例（同步控制）

这是最常见、控制最简单的方案。

*   关系：f_{LLC} = N Xf_{PFC} 或 f_{PFC} = f_{LLC}

*   做法：让 LLC 的开关频率固定（或在窄范围内变化），PFC 的开关频率与之保持整数倍关系。

*   优点：

       EMI 滤波器设计容易（频谱离散，不扩散）。

       控制器（MCU/DSP）资源占用少，中断处理简单。

*   缺点：无法让两级同时工作在各自的“最佳效率点”。

模式 B：独立优化（异步控制）

随着数字控制（如 C2000, STM32）的发展，这种方案越来越流行。

*   关系：f_{PFC} 和 f_{LLC} 完全独立。

*   做法：

       PFC 运行在 60kHz - 100kHz（兼顾电感体积和二极管损耗）。

       LLC 运行在 100kHz - 300kHz（利用谐振特性实现高频化，减小变压器体积）。

*   优点：每级都可以独立优化效率和体积。

*   缺点：EMI 频谱变宽，设计难度增加；对控制器算力要求高。

模式 C：变频 PFC + 变频 LLC

*   做法：PFC 频率随负载变化（轻载降频），LLC 频率随输入电压变化。

*   目标：全工况效率优化。

 3. 具体的频率设定策略（6.6kW 实战）

针对 6.6kW 这一特定功率等级，建议的频率平衡点如下：

 3.1 PFC 级频率设定 (f_{PFC})

*   推荐范围：70kHz - 100kHz

*   理由：

       二极管应力：6.6kW 通常使用 SiC 二极管。虽然 SiC 能耐高频，但在 100kHz 以上，反向恢复损耗和磁芯损耗会显著增加。

       电感体积：低于 70kHz，PFC 电感（通常 > 100uH）体积和重量会变得难以接受（UU102 可能不够用）。

    *   噪声：避开 20kHz 人耳听觉范围，防止啸叫。

3.2 LLC 级频率设定 (f_{LLC})

*   推荐范围：100kHz - 300kHz

*   理由：

       变压器体积：变压器体积与频率成反比。将频率提高到 200kHz+ 可以显著减小变压器尺寸（从 PQ50/50 缩小到 PQ40/40）。

       软开关：LLC 天然适合高频，且能实现 ZVS（零电压开关），开关损耗低。

    *   死区时间：频率过高会导致死区时间不足，引起体二极管反向恢复问题。

�� 4. 平衡步骤：如何找到最佳工作点？

步骤 1：计算磁性元件体积 (V_{mag})

使用面积乘积法（AP法）估算不同频率下的磁芯体积。

AP = L X I^2/（Δ BX J XK_eX f）

*   可以看到，频率 (f) 越高，AP 越小，磁芯越小。

*   平衡点：画出“频率 vs 磁芯体积”曲线，找到体积缩减收益开始变缓的拐点（通常在 100kHz 左右）。

步骤 2：计算总损耗 (P_{loss})

分别计算半导体损耗和磁性元件损耗。

*   半导体损耗 (P_{sw})：与频率成正比。

    P_{sw} 成正比f_{sw}

*   磁芯损耗 (P_{core})：与频率和磁通密度有关（Steinmetz 方程）。

    P_{core} 正比 f^{α} cdot B^（β}

*   平衡点：画出“频率 vs 总损耗”曲线。你会发现存在一个“最低损耗频率”。通常 PFC 的最低损耗点在 50-80kHz，LLC 在 150-250kHz。

步骤 3：热耦合分析

*   PFC 和 LLC 的热源是分开的。

*   如果 PFC 频率太高，PFC 电感发热量大，可能会影响邻近的控制板。

*   如果 LLC 频率太高，变压器温升高，可能会影响副边整流管。

�� 5. 推荐方案（6.6kW 参考）

模块   推荐开关频率   理由   磁性元件影响

PFC (交错式)   80 kHz   平衡了 SiC 二极管损耗和电感体积。   电感量约 60~80uH，可用 UU102 或定制铁硅铝。

LLC (全桥)   150 kHz (基频)   利用谐振实现软开关，减小变压器体积。   变压器可选用 PQ40/40 或 EFD45，体积适中。

总结建议：
对于 6.6kW OBC，不要强行让 PFC 和 LLC 频率一致。

建议采用 “PFC @ 80kHz (固定频率)” + “LLC @ 100-200kHz (变频)” 的异步方案。

这样既保证了 PFC 级的高效率（低频优势），又利用了 LLC 级的高功率密度（高频优势），是目前业界最主流的平衡策略。