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車載充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹和技術(shù)建議

發(fā)布時(shí)間：2020-10-14 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】近年來，電動(dòng)汽車的數(shù)量在全球范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)，如純電動(dòng)汽車（BEV）或插電式混合動(dòng)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(gè)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(dòng)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(xì)分市場(chǎng)的增長(zhǎng)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(xì)介紹PFC和DC-DC拓?fù)渲凶盍餍械慕Y(jié)構(gòu)。

經(jīng)典升壓PFC

實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能的最簡(jiǎn)單拓?fù)涫鞘褂煤?jiǎn)單的boost轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌鐖D1所示。這種拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的最常見的工作模式是連續(xù)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的。這種拓?fù)涮峁┝藦慕涣鬏斎氲街绷鬏敵龅膯蜗蚬β柿鳌?/div>

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(gè)二極管，但省略了）

由于難換相，要求半導(dǎo)體能夠承受連續(xù)換流。因此，一個(gè)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(jí)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(gè)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(gè)IGBT，我們建議在集電極和發(fā)射極節(jié)點(diǎn)之間使用一個(gè)小的反并聯(lián)PN二極管，以避免IGBT上出現(xiàn)負(fù)電壓尖峰。當(dāng)目標(biāo)是在簡(jiǎn)單的PFC拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)最高效率時(shí)，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(duì)應(yīng)物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種MOSFET的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也可以使用寬帶隙晶體管；但是，這不會(huì)帶來顯著的好處，因?yàn)镾iC和GaN晶體管由于拓?fù)涞淖匀恍阅芏荒鼙怀浞掷谩?/div>

圖2：?jiǎn)蜗嘬囕d充電器功率因數(shù)校正級(jí)示例：a）集成SiC二極管的IGBT，b）帶外部保護(hù)二極管的單個(gè)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?fù)浣Y(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(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是效率提高。盡管如此，這種修改也增加了復(fù)雜性，因?yàn)楸仨氃陔娐分锌刂聘嗟拈_關(guān)。

圖3：圖騰極PFC拓?fù)?/div>

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(dǎo)體能夠承受高頻下兩個(gè)有源開關(guān)之間負(fù)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(shí)現(xiàn)相位校正功能。因此，在交流輸入的過零點(diǎn)（零電壓開關(guān)）期間，它們會(huì)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(shí)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(jìn)一步提高效率。由于交流頻率下的軟開關(guān)特性，將超級(jí)連接mosfet設(shè)計(jì)成相位整流橋是可能的。用四個(gè)CoolSiC實(shí)現(xiàn)硬開關(guān)圖騰極PFC是可能的，因?yàn)镃oolMOS™ MOSFET具有超低的反向恢復(fù)電荷。CoolSiC ™ mosfet的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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?fù)涫撬^的移相全橋（圖5），由DC-DC變換器初級(jí)側(cè)的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和次級(jí)側(cè)的整流組成。基于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最先進(jìn)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(duì)開關(guān)頻率的要求很高，IGBT不適合這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5：相移全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括二次側(cè)的二極管

這種拓?fù)涞囊粋€(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是效率高，因?yàn)樗梢栽谳^寬的負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行軟交換。這意味著，儲(chǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固有特性，不能在整個(gè)輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有mosfet的全ZVS。通常，不同mosfet的硬開關(guān)發(fā)生在輕負(fù)載條件下（當(dāng)諧振能量不足以維持ZVS時(shí)）。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(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

這種拓?fù)涞牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是與LLC變換器相比，控制工作量相對(duì)較低。功率流的調(diào)節(jié)是通過控制兩個(gè)半橋腿之間的相移來實(shí)現(xiàn)的，而不需要修改頻率或占空比。此外，PSFB拓?fù)淠軌颢@得比LLC變換器更大的轉(zhuǎn)換比。

二次側(cè)的任務(wù)是對(duì)一次側(cè)傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行校正。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(duì)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?fù)?/div>

圖6：雙向使用的移相全橋拓?fù)?/div>

如果DC-DC的二次側(cè)采用有源開關(guān)，并且采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕瑒t移相全橋拓?fù)湟部梢杂糜陔p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(jìn)一步修改硬件組件來支持雙向功率流。

LLC拓?fù)?/div>

LLC拓?fù)涫沁_(dá)到最高轉(zhuǎn)換效率的理想選擇。與PSFB相比，LLC拓?fù)湓试S實(shí)現(xiàn)更高的效率，從而在運(yùn)行期間降低損耗，并實(shí)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?yàn)樽儔浩鞯囊淮蝹?cè)繞組驅(qū)動(dòng)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(dú)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?cè)谶@里重點(diǎn)討論這一點(diǎn)。

設(shè)計(jì)良好的LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在滿負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。然而，mosfet的硬開關(guān)很容易在啟動(dòng)時(shí)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(diǎn)之外，LLC拓?fù)溥€有一個(gè)缺點(diǎn)：功率流是通過可變頻率而不是通過脈寬調(diào)制控制信號(hào)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(jì)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(jí)的同步變得更加復(fù)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(jì)為全橋。

圖7：?jiǎn)蜗蜻\(yùn)行的全橋LLC變換器（二次側(cè)帶有源同步整流）

結(jié)論

電動(dòng)汽車的吸引力取決于電池。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步需要實(shí)現(xiàn)更高的效率和最高的性能，使電動(dòng)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(jì)的要求，各種拓?fù)浣Y(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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