隨著雙碳目標的推進,電動汽車車載充電器(以下簡稱“OBC”),正朝著雙向能量傳輸?shù)姆较虬l(fā)展,它不僅可以從電網(wǎng)獲得電能,還可以將電能反饋給電網(wǎng)。雙向配置。OBC電動車,可以用剩余電量為耗盡電量的電動車充電,也可以在室外充當220V電源,也可作為分布式儲能站,協(xié)助電網(wǎng)消峰填谷。本文將討論。CLLC拓撲在雙向OBC應用中的設計挑戰(zhàn)和安森美(onsemi)的6.6kWCLLC參考設計如何解決這些挑戰(zhàn)。
什么是CLLC拓撲
如圖1所示,隔離DCDC是構(gòu)成雙向OBC的主要組成部分之一。在200 W以上隔離DCDC應用中,包括單向OBC,很多都會用到LLC拓撲,因為它具有能效高、EMI表現(xiàn)好、開發(fā)難度低等優(yōu)勢,但這種拓撲只能用于單向能量傳輸。
圖1:雙向OBC框圖
大部分的雙向OBC中隔離DCDC級都會采用CLLC拓撲。CLLC拓撲(如圖2所示)是將LLC拓撲中電池側(cè)的橋式整流二極管換成有源橋,然后再在變壓器的電池端串上一個C來確保磁平衡。
給電池充電的時候,左側(cè)的橋做主動開關(guān),右側(cè)的橋做同步整流;當電池向外做逆變的時候,右側(cè)的橋做主動開關(guān),左側(cè)的橋做同步整流。CLLC繼承了LLC拓撲的特點,采用脈沖頻率調(diào)節(jié)來控制增益,具有同樣的軟開關(guān)特性,因此,能效高,EMI表現(xiàn)好,簡單,但存在增益調(diào)整范圍窄、難以滿足寬廣的電池電壓變化范圍的挑戰(zhàn)。
為此,安森美推出一個6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK,它采用寬母線電壓范圍來應對電池電壓變化,峰值能效超過98%,幫助設計人員解決挑戰(zhàn),加快開發(fā)。
圖2:CLLC拓撲
圖3:6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK的峰值能效超過98%
6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK
安森美的6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK包括三個主要部分,如圖4:中間那片大板是功率板,所有高壓大電流的線路都在這片板上。
右上角是控制板,通過接插件和功率板相連,方便大家在不同的控制和功率方案之間做交叉測試。左側(cè)是諧振腔組合,包含了一個集成了諧振電感的變壓器和兩個諧振電容板。諧振電容由多顆MLCC經(jīng)串并聯(lián)組成,以在滿足耐壓和電流的要求下實現(xiàn)更小體積。諧振腔也是可拆卸的,方便設計人員驗證不同的變壓器、電感和電容參數(shù)。方案中包含了散熱器、風扇、輔助電源、保護電路等等。連接電源和負載就可以在滿載下做長時間測試。
圖4:6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK
功率板中,位于母線側(cè)和電池測的兩個有源橋分別由四顆1200 V/40毫歐NVHL040N120SC1和四顆900 V/20毫歐NVHL020N090SC1碳化硅(SiC) MOS構(gòu)成。SiC可比Si實現(xiàn)更高的功率密度、更高的開關(guān)頻率和極高效的設計。驅(qū)動這八顆SiC MOS的是八顆磁隔離大電流驅(qū)動器。驅(qū)動信號由控制板通過控制接口送出。
控制接口的所有信號都位于電池側(cè),電平不超過12 V。電池端的電壓、電流通過采樣完通過分壓、放大后直接送到控制接口。母線側(cè)的電壓采樣由一顆獨立的ADC來完成,數(shù)據(jù)通過SPI總線再經(jīng)數(shù)字信號隔離器傳到控制接口。
控制板中,我們選用了一顆車規(guī)級的LLC控制芯片NCV4390,來做脈沖頻率調(diào)制(以下簡稱“PFM”)和同步整流控制;用低功耗MCU,來做充電的恒壓值設定;用車規(guī)級軌到軌運放NCV33204來做恒流充電控制;再配上我們的車規(guī)級邏輯器件來做電網(wǎng)到電池和電池到電網(wǎng)方向的判斷和轉(zhuǎn)換。
電路細節(jié)的設計考量
如果想要節(jié)省成本,可以把1200 V和900 V SiC MOS換成900 V和650 V SiC MOS,但需要控制好開關(guān)尖峰,最好從降低PCB寄生電感著手,可以通過添加旁路電容實現(xiàn)。
高電壓低Rdson的SiC MOSFET,它的Qg很大,為了在高開關(guān)頻率下維持高效,必須用大電流的門極驅(qū)動器來驅(qū)動。另外,我們方案的控制接口位于電池側(cè),驅(qū)動母線側(cè)的MOS必須要隔離,而且要符合安規(guī)。雖然驅(qū)動電池側(cè)的MOS不需要安規(guī),但是為了統(tǒng)一物料,我們還是選用相同的器件NCV57000,短路保護和故障報告功能是其亮點。
隔離門極驅(qū)動的另一個不錯的選擇是NCV51561同樣帶安規(guī)隔離,驅(qū)動電流更大,一推二,延時更短。雖然沒有過流保護,但它的雙高禁止功能也能保護到來自信號端的,由于干擾或誤操作而造成的炸機風險。
選擇高壓輔助電源的最佳拓撲
該6.6 kW CLLC參考設計的輔助電源采用了“反激 + Buck-boost”的拓撲以應對高達750 V的母線電壓,如表1,相較其他3種拓撲,這種反激+Buck-boost拓撲在成本、能效、輸入電壓下限、可靠性、母線電容分壓平衡方面都更勝一籌。
表1:800 V 輸入電壓下可選的高壓輔助電源拓撲
選擇為高邊門極驅(qū)動供電的最佳方案
輔助電源設計當中的另外一個挑戰(zhàn),是多組且隔離的電源軌。該6.6 kW CLLC參考設計總共需要7組電源軌。
SiC驅(qū)動需要負壓,且SiC MOS的Vcc容差范圍較窄,所以不宜采用自舉,否則會帶來穩(wěn)壓、時序、功耗、噪聲等諸多問題。而如果采用隔離DCDC,會存在PCB占位、成本和噪聲干擾等問題。
第3種方法是通過變壓器繞組來輸出所有電壓,這是這幾種方法里成本最低的一種,但缺點是工藝不好控制,易出錯,噪聲干擾大。我們的6.6 kW CLLC參考設計采用的脈沖變壓器擴展繞組解決了上述3種方法的所有問題,更重要的是它大大縮短了動點引線的長度。
雙沿跟蹤自適應同步整流控制
前面提到,在控制板中采用LLC控制器NCV4390來做PFM環(huán)路和同步整流控制。NCV4390采用電流模式,環(huán)路響應快,不易震蕩,自帶雙沿跟蹤同步整流控制功能,在PFM模式和間歇工作模式之間插入了一段PWM工作模式,目的是改善輕載下的能效和電壓紋波,而且NCV4390的保護功能也非常強大。值得強調(diào)的是,這種雙沿跟蹤同步整流控制方法已獲市場驗證是非??孔V的。
電動汽車OBC正朝向雙向能量傳輸?shù)姆较虬l(fā)展,以配合雙碳目標的推進。隔離DCDC是構(gòu)成雙向OBC的主要組成部分之一。大部分的雙向OBC中隔離DCDC級都會采用CLLC拓撲。
安森美的6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK,基于SiC MOS,峰值能效超過98%,還解決了CLLC拓撲在雙向OBC應用中的PCB占位、噪聲干擾、可靠性和成本等設計挑戰(zhàn)。