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      峰值能效超過98%!安森美用于雙向車載充電的6.6 kW CLLC參考設計


      作者:    時間:2022/9/27 17:58:42  來源:   
      隨著雙碳目標的推進,電動汽車車載充電器(以下簡稱“OBC),正朝雙向能量傳輸的方向發展,其既能從電網獲取電能,又可將電能反饋至電網。配置了雙向OBC的電動汽車,可用剩余電量為耗盡電量的電動汽車充電,也可在戶外充當220 V電源,還可被當作分布式儲能站,幫助電網消峰填谷。本文將探討CLLC拓撲在雙向OBC應用中的設計挑戰和安森美(onsemi)的6.6 kW CLLC參考設計如何解決這些挑戰。
      什么是CLLC拓撲
      如圖1所示,隔離DCDC是構成雙向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表現好、開發難度低等優勢,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,左側的橋做主動開關,右側的橋做同步整流;當電池向外做逆變的時候,右側的橋做主動開關,左側的橋做同步整流。CLLC繼承了LLC拓撲的特點,采用脈沖頻率調節來控制增益,具有同樣的軟開關特性,因此,能效高,EMI表現好,簡單,但存在增益調整范圍窄、難以滿足寬廣的電池電壓變化范圍的挑戰。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,加快開發。
       
      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經串并聯組成,以在滿足耐壓和電流的要求下實現更小體積。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。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。
       
      4:6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK
      功率板中,位于母線側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構成。SiC可比Si實現更高的功率密度、更高的開關頻率和極高效的設計。驅動這八顆SiC MOS的是八顆磁隔離大電流驅動器。驅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,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。母線側的電壓采樣由一顆獨立的ADC來完成,數據通過SPI總線再經數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級的LLC控制芯片NCV4390,來做脈沖頻率調制 (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;用車規級軌到軌運放NCV33204來做恒流充電控制;再配上我們的車規級邏輯器件來做電網到電池和電池到電網方向的判斷和轉換。
      電路細節的設計考量
      如果想要節省成本,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。
      高電壓低Rdson的SiC MOSFET,它的Qg很大,為了在高開關頻率下維持高效,必須用大電流的門極驅動器來驅動。另外,我們方案的控制接口位于電池側,驅動母線側的MOS必須要隔離,而且要符合安規。雖然驅動電池側的MOS不需要安規,但是為了統一物料,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。
      隔離門極驅動的另一個不錯的選擇是NCV51561同樣帶安規隔離,驅動電流更大,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
      選擇為高邊門極驅動供電的最佳方案
      輔助電源設計當中的另外一個挑戰,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環路和同步整流控制。NCV4390采用電流模式,環路響應快,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。
      總結
      電動汽車OBC正朝向雙向能量傳輸的方向發展,以配合雙碳目標的推進。隔離DCDC是構成雙向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、可靠性和成本等諸多設計挑戰,它采用硬件控制器來做PFM控制,幫助設計人員加快開發。更多資料,包括物料單(BOM)、線路圖、Gerber文件和測試報告,請到這里獲取。
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