【導讀】近年來,電動汽車的數(shù)量在全球范圍內(nèi)不斷增長,如純電動汽車(BEV)或插電式混合動力汽車(PHEV)。此外,還有許多因素引起了人們的懷疑,比如說,目前每個終端用戶的碳排放量仍然很低(除此之外,還有一些因素可以降低終端用戶的碳排放量)。毫無疑問,電動汽車的吸引力取決于電池。這些車輛的普及和適應(yīng)能力,以及這一細分市場的增長潛力,都取決于高可靠性和持久性的電池性能。電池性能和耐久性在很大程度上取決于充電技術(shù)和方法。在本文中,我們將更深入地研究車載充電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),并詳細介紹PFC和DC-DC拓撲中最流行的結(jié)構(gòu)。
經(jīng)典升壓PFC
實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能的最簡單拓撲是使用簡單的boost轉(zhuǎn)換器拓撲,如圖1所示。這種拓撲結(jié)構(gòu)也被稱為經(jīng)典PFC或經(jīng)典boost PFC。電路由高頻開關(guān)和二極管、電感和交流輸入側(cè)的二極管橋式整流器組成。在直流輸出端,通常使用緩沖帽來穩(wěn)定輸出電壓。實現(xiàn)高功率因數(shù)的最常見的工作模式是連續(xù)導通模式(CCM),它是通過開關(guān)和二極管之間的電流源換流來實現(xiàn)的。這種拓撲提供了從交流輸入到直流輸出的單向功率流。
圖1:boost PFC的工作原理(為了更好地理解原理操作,建議在S1上加一個二極管,但省略了)
由于難換相,要求半導體能夠承受連續(xù)換流。因此,一個合理的選擇是使用合格的CoolSiC™ 肖特基二極管650 V Gen5器件,用于位置“D1”,而各種開關(guān)適合作為功率因數(shù)校正級的電源開關(guān)。例如,英飛凌的TRENCHSTOP™ AUTO 5 IGBT提供高速開關(guān)功能,擊穿電壓為650 V。這些igbt可作為單個igbt或帶有集成反并聯(lián)Si或SiC二極管的igbt。如果選擇的器件是單個IGBT,我們建議在集電極和發(fā)射極節(jié)點之間使用一個小的反并聯(lián)PN二極管,以避免IGBT上出現(xiàn)負電壓尖峰。當目標是在簡單的PFC拓撲中實現(xiàn)最高效率時,我們建議使用MOSFET而不是IGBT。最新的汽車CoolMOS™ 一代,CoolMOS™ CFD7A,完美地配合了SiC二極管作為對應(yīng)物的拓撲結(jié)構(gòu)。這種MOSFET的優(yōu)點是在溝道中具有電阻行為,不受尾流的影響,并且比IGBT具有更低的開關(guān)損耗。所有這些優(yōu)點轉(zhuǎn)化為更低的功率損耗,因此,更高的轉(zhuǎn)換效率。
在這種拓撲結(jié)構(gòu)中也可以使用寬帶隙晶體管;但是,這不會帶來顯著的好處,因為SiC和GaN晶體管由于拓撲的自然性能而不能被充分利用。
圖2:單相車載充電器功率因數(shù)校正級示例:a)集成SiC二極管的IGBT,b)帶外部保護二極管的單個IGBT,c)CoolMOS™ CFD7A(帶本征體二極管)
圖騰柱PFC
雙向車載充電器的常見拓撲結(jié)構(gòu)是所謂的圖騰極PFC(圖3)。在此設(shè)置中,所有二極管都被有源功率開關(guān)取代,以實現(xiàn)雙向功率流能力。使用有源開關(guān)代替二極管的另一個優(yōu)點是效率提高。盡管如此,這種修改也增加了復雜性,因為必須在電路中控制更多的開關(guān)。
圖3:圖騰極PFC拓撲
圖騰極PFC由快速切換段(“S1”和“S2”)和慢速切換段(“S3”和“S4”)組成。“S1”和“S2”要求半導體能夠承受高頻下兩個有源開關(guān)之間負載電流的硬換相。因此,“S1”和“S2”的最佳選擇是使用TRENCHSTOP™ H5 IGBT或CoolSiC™ MOSFETs。慢開關(guān)段(“S3”和“S4”)中的開關(guān)實現(xiàn)相位校正功能。因此,在交流輸入的過零點(零電壓開關(guān))期間,它們會隨著交流頻率接通和斷開。
圖4:a)IGBT,b)SiC MOSFET,c)IGBT和CoolMOS的圖騰極PFC™ CFD7A(相位整流器)
實現(xiàn)圖騰極PFC的一種常見方法是在位置“S1”、“S2”、“S3”和“S4”使用IGBT開關(guān)。英飛凌的高速TRENCHSTOP™ IGBT是車載充電器系統(tǒng)的最佳IGBT選擇。CoolMOS™ CFD7A建議用于慢開關(guān)半橋(“S3”和“S4”),以進一步提高效率。由于交流頻率下的軟開關(guān)特性,將超級連接mosfet設(shè)計成相位整流橋是可能的。用四個CoolSiC實現(xiàn)硬開關(guān)圖騰極PFC是可能的,因為CoolMOS™ MOSFET具有超低的反向恢復電荷。CoolSiC ™ mosfet的另一個優(yōu)勢是擊穿電壓為1200v,支持更高的直流鏈電壓(高于650v)。
移相全橋
一種常用的DC-DC拓撲是所謂的移相全橋(圖5),由DC-DC變換器初級側(cè)的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和次級側(cè)的整流組成?;谶@種拓撲結(jié)構(gòu)的最先進的車載充電器使用基于硅或碳化硅的mosfet。由于緊湊型DC-DC變換器對開關(guān)頻率的要求很高,IGBT不適合這種拓撲結(jié)構(gòu)。
圖5:相移全橋拓撲結(jié)構(gòu),包括二次側(cè)的二極管
這種拓撲的一個顯著優(yōu)點是效率高,因為它可以在較寬的負載范圍內(nèi)進行軟交換。這意味著,儲存在mosfet寄生電容中的能量可以重新循環(huán),降低功率損耗,減少散熱,提高轉(zhuǎn)換效率。一次側(cè)的附加電感器(Lr)確保了mosfet的軟開關(guān)。然而,由于這種拓撲結(jié)構(gòu)的固有特性,不能在整個輸出范圍內(nèi)實現(xiàn)所有mosfet的全ZVS。通常,不同mosfet的硬開關(guān)發(fā)生在輕負載條件下(當諧振能量不足以維持ZVS時)。這種硬開關(guān)現(xiàn)象也是英飛凌推薦具有快速二極管特性的硅mosfet(如CoolMOS™ CFD7A)的原因或像CoolSiC™ MOSFET這樣的寬禁帶系列用于汽車應(yīng)用,確保長期可靠運行。
這種拓撲的另一個優(yōu)點是與LLC變換器相比,控制工作量相對較低。功率流的調(diào)節(jié)是通過控制兩個半橋腿之間的相移來實現(xiàn)的,而不需要修改頻率或占空比。此外,PSFB拓撲能夠獲得比LLC變換器更大的轉(zhuǎn)換比。
二次側(cè)的任務(wù)是對一次側(cè)傳輸?shù)哪芰窟M行校正。有幾種方法可以實現(xiàn)這一點。一種方法是使用全橋整流(如圖5所示)或中心抽頭變壓器。對于這兩種變體,二極管或有源mosfet是最常見的選擇。
雙向移相全橋拓撲
圖6:雙向使用的移相全橋拓撲
如果DC-DC的二次側(cè)采用有源開關(guān),并且采用適當?shù)目刂撇呗裕瑒t移相全橋拓撲也可以用于雙向車載充電器。圖6說明了雙向PSFB的概念。如圖所示,不需要進一步修改硬件組件來支持雙向功率流。
LLC拓撲
LLC拓撲是達到最高轉(zhuǎn)換效率的理想選擇。與PSFB相比,LLC拓撲允許實現(xiàn)更高的效率,從而在運行期間降低損耗,并實現(xiàn)更高的功率密度轉(zhuǎn)換器。車載充電器中使用的大多數(shù)LLC轉(zhuǎn)換器都是全橋LLC轉(zhuǎn)換器。一次側(cè)的全橋配置有助于減少通過功率開關(guān)的電流,因為變壓器的一次側(cè)繞組驅(qū)動的電壓是半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩倍。由于電壓加倍,在給定的變壓器尺寸下,可以傳輸雙倍的功率。盡管如此,這一原則適用于所有半橋/全橋變換器,而不是LLC變換器的獨特性,但由于將半橋LLC變換器用于低功率應(yīng)用更為常見,因此我們在這里重點討論這一點。
設(shè)計良好的LLC拓撲結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是可以在滿負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)。然而,mosfet的硬開關(guān)很容易在啟動時發(fā)生,并且僅在某些關(guān)鍵條件下(即“電容模式”操作)。
除了優(yōu)點之外,LLC拓撲還有一個缺點:功率流是通過可變頻率而不是通過脈寬調(diào)制控制信號的可變占空比來控制的。由于所需的頻率范圍,電磁干擾濾波器的設(shè)計可能變得更具挑戰(zhàn)性。此外,由于很難規(guī)定均流,LLC變換器并聯(lián)級的同步變得更加復雜。圖7顯示了車載充電器中使用的典型全橋LLC轉(zhuǎn)換器,其中轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)也設(shè)計為全橋。
圖7:單向運行的全橋LLC變換器(二次側(cè)帶有源同步整流)
結(jié)論
電動汽車的吸引力取決于電池。半導體技術(shù)的進步需要實現(xiàn)更高的效率和最高的性能,使電動汽車成為傳統(tǒng)交通工具的便捷和環(huán)保的替代品。為了滿足現(xiàn)代非車載充電器設(shè)計的要求,各種拓撲結(jié)構(gòu)和技術(shù)在今天是可用的。所以,我們的任務(wù)是使它們完美匹配。
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