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車載充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)建議近年來,電動(dòng)汽車的數(shù)量,例如純電動(dòng)汽車(BEV)或插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV),在全球范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)。除了許多吸引人的因素(例如,較低的碳足跡和較低的維護(hù)成本)之外,目前每次充電可達(dá)到的最大續(xù)航里程仍會(huì)引發(fā)最終用戶的一些懷疑。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)以及該細(xì)分市場(chǎng)的增長(zhǎng)潛力在于高度可靠和持久的電池性能。電池性能以及耐用性高度依賴于充電技術(shù)和方法。在本文中,我們更深入地研究了車載充電系統(tǒng)架構(gòu),并詳細(xì)闡述了PFC和DC-DC級(jí)最流行的拓?fù)浣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)單的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?,如圖1所示。這種拓?fù)湟卜Q為經(jīng)典PFC或經(jīng)典升壓PFC。該電路由交流輸入側(cè)的高頻開關(guān)和二極管、電感器和二極管橋式整流器組成。在直流輸出端,通常使用緩沖電容來穩(wěn)定輸出電壓。實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的最常見工作模式是連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM),它通過開關(guān)和二極管之間的電流硬換向來實(shí)現(xiàn)。這種拓?fù)涮峁┝藦慕涣鬏斎氲街绷鬏敵龅膯蜗蚬β柿?。圖1:升壓PFC的工作原理(暗示S1兩端的二極管,但為了更好地理解工作原理而省略)由于硬換向,一個(gè)要求是半導(dǎo)體可以承受連續(xù)換向。因此,合理的選擇是使用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的CoolSiC?肖特基二極管650VGen5器件用于位置“D1”,同時(shí)各種開關(guān)適合作為PFC級(jí)中的電源開關(guān)。例如,英飛凌通過汽車認(rèn)證的TRENCHSTOP?AUTO5IGBT提供具有650V擊穿電壓的高速開關(guān)能力。這些IGBT可用作單個(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與用作對(duì)應(yīng)物的SiC二極管完美匹配拓?fù)?。與IGBT相比,該MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于通道中的電阻行為,不受尾電流影響,并且在溫度范圍內(nèi)提供更低的開關(guān)損耗。所有這些優(yōu)勢(shì)都轉(zhuǎn)化為更低的功率損耗,從而帶來更高的轉(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;然而,這不會(huì)帶來顯著的好處,因?yàn)橛捎谕負(fù)涞淖匀恍阅?,無法充分利用SiC和GaN晶體管。圖2:?jiǎn)蜗嘬囕d充電器功率因數(shù)校正級(jí)示例:a)帶有集成SiC二極管的IGBT,b)帶有外部保護(hù)二極管的單IGBT,c)CoolMOS?CFD7A(帶有固有體二極管)圖騰柱PFC雙向車載充電器的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是所謂的圖騰柱PFC(圖3)。在這種設(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)楸仨氃陔娐穬?nèi)控制更多的開關(guān)。圖3:圖騰柱PFC拓?fù)鋱D騰柱PFC由一個(gè)快速開關(guān)支路(“S1”和“S2”)和一個(gè)慢速開關(guān)支路(“S3”和“S4”)組成?!癝1”和“S2”需要能夠承受負(fù)載電流在兩個(gè)有源開關(guān)之間高頻硬換向的半導(dǎo)體。因此,“S1”和“S2”的最佳選擇是使用TRENCHSTOP?H5IGBT或CoolSiC?MOSFET。慢速開關(guān)支路(“S3”和“S4”)中的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了相位整流功能。因此,它們?cè)诮涣鬏斎氲牧憬徊妫汶妷洪_關(guān))期間以交流頻率打開和關(guān)閉。圖4:圖騰柱PFC,帶有a)IGBT,b)SiCMOSFET,c)帶有IGBT和CoolMOS?CFD7A(作為相位整流器)實(shí)現(xiàn)圖騰柱PFC的一種常見方法是在“S1”、“S2”、“S3”和“S4”位置使用IGBT開關(guān)。英飛凌的高速TRENCHSTOP?5IGBT是車載充電器系統(tǒng)的最佳IGBT選擇。CoolMOS?CFD7A推薦用于慢速開關(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)結(jié)MOSFET設(shè)計(jì)到相位整流支路是可能的。由于具有超低反向恢復(fù)電荷,因此使用四個(gè)CoolSiC?MOSFET可以實(shí)現(xiàn)硬開關(guān)圖騰柱PFC。CoolSiC?MOSFET的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其1200V的擊穿電壓水平,可支持更高的直流鏈路電壓(650V以上)。移相全橋(PSFB)一種常用的DC-DC拓?fù)涫撬^的移相全橋(圖5),由DC-DC轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和整流器組成二次側(cè)?;谶@種拓?fù)涞淖钕冗M(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轉(zhuǎn)換器的高開關(guān)頻率要求,IGBT不適合這種拓?fù)?。圖5:在次級(jí)側(cè)包含二極管的相移全橋拓?fù)溥@種拓?fù)涞囊粋€(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它的高效率,因?yàn)樗梢栽诤軐挼呢?fù)載范圍內(nèi)以軟開關(guān)方式運(yùn)行。這意味著存儲(chǔ)在MOSFET寄生電容中的能量可以被回收利用,從而降低功率損耗、減少熱耗散并提高轉(zhuǎn)換效率。初級(jí)側(cè)的附加電感器(Lr)確保MOSFET的軟開關(guān)。盡管如此,由于這種拓?fù)涞墓逃刑匦裕瑹o法在整個(gè)輸出范圍內(nèi)為所有MOSFET實(shí)現(xiàn)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(例如CoolMOS?CFD7A)或?qū)拵禡OSFET(例如CoolSiC?系列)用于汽車應(yīng)用以確保長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的原因。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,與LLC轉(zhuǎn)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)半橋臂之間的相移來實(shí)現(xiàn)的,而無需修改頻率或占空比。此外,PSFB拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)比LLC轉(zhuǎn)換器更寬的轉(zhuǎn)換比。次級(jí)側(cè)的任務(wù)是對(duì)初級(jí)側(cè)傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行整流。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。圖6:用于雙向使用的移相全橋拓?fù)淙绻鸇C-DC的次級(jí)側(cè)使用有源開關(guān),并且應(yīng)用了適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕瑒t移相全橋拓?fù)湟部捎糜陔p向車載充電器。圖6說明了雙向PSFB的概念。如圖所示,無需進(jìn)一步修改硬件組件即可支持雙向功率流。LLC拓?fù)銵LC拓?fù)涫菍?shí)現(xiàn)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,從而降低操作期間的損耗,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部分LLC轉(zhuǎn)換器都是全橋LLC轉(zhuǎn)換器。初級(jí)側(cè)的全橋配置有助于減少通過電源開關(guān)的電流,因?yàn)榕c半橋LLC轉(zhuǎn)換器相比,變壓器的初級(jí)側(cè)繞組驅(qū)動(dòng)的電壓高兩倍。由于雙倍電壓,對(duì)于給定的變壓器尺寸,可以傳輸雙倍的功率。盡管如此,精心設(shè)計(jì)的LLC拓?fù)涞牧硪粋€(gè)優(yōu)勢(shì)是可以在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS。然而,MOSFET的硬開關(guān)很容易在啟動(dòng)時(shí)和僅在某些臨界條件下(即“電容模式”操作)發(fā)生。因此,我們建議使用具有快速體二極管和出色換向堅(jiān)固性的MOSFET,以確保長(zhǎng)期可靠性。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,EMI濾波器的設(shè)計(jì)可能會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。此外,LLC轉(zhuǎn)換器的并行級(jí)同步變得更加復(fù)雜,因?yàn)楹茈y規(guī)定電流共享。此外,LLC拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換率有限。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)換器的次級(jí)側(cè)
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