車載充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)建議

車載充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)建議近年來，電動汽車的數(shù)量，例如純電動汽車(BEV)或插電式混合動力汽車(PHEV)，在全球范圍內(nèi)不斷增長。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)航里程仍會引發(fā)最終用戶的一些懷疑。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)以及該細(xì)分市場的增長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級最流行的拓?fù)浣Y(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?fù)涫鞘褂煤唵蔚纳龎恨D(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”，同時各種開關(guān)適合作為PFC級中的電源開關(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(fù)電壓尖峰。當(dāng)目標(biāo)是在簡單的PFC拓?fù)渲袑崿F(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與用作對應(yīng)物的SiC二極管完美匹配拓?fù)?。與IGBT相比，該MOSFET的優(yōu)勢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，這不會帶來顯著的好處，因為由于拓?fù)涞淖匀恍阅?，無法充分利用SiC和GaN晶體管。圖2：單相車載充電器功率因數(shù)校正級示例：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(fù)雜性，因為必須在電路內(nèi)控制更多的開關(guān)。圖3：圖騰柱PFC拓?fù)鋱D騰柱PFC由一個快速開關(guān)支路（“S1”和“S2”）和一個慢速開關(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)實現(xiàn)了相位整流功能。因此，它們在交流輸入的零交叉（零電壓開關(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，將超級結(jié)MOSFET設(shè)計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CoolSiC?MOSFET可以實現(xiàn)硬開關(guān)圖騰柱PFC。CoolSiC?MOSFET的另一個優(yōu)勢是其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)。基于這種拓?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：在次級側(cè)包含二極管的相移全橋拓?fù)溥@種拓?fù)涞囊粋€顯著優(yōu)勢是它的高效率，因為它可以在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)以軟開關(guān)方式運(yùn)行。這意味著存儲在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?，無法在整個輸出范圍內(nèi)為所有MOSFET實現(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）。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)用以確保長期可靠運(yùn)行的原因。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，與LLC轉(zhuǎn)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臂之間的相移來實現(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。次級側(cè)的任務(wù)是對初級側(cè)傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行整流。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。圖6：用于雙向使用的移相全橋拓?fù)淙绻鸇C-DC的次級側(cè)使用有源開關(guān)，并且應(yīng)用了適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，則移相全橋拓?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)涫菍崿F(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率的理想選擇。與PSFB相比，LLC拓?fù)湓试S實現(xiàn)更高的效率，從而降低操作期間的損耗，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部分LLC轉(zhuǎn)換器都是全橋LLC轉(zhuǎn)換器。初級側(cè)的全橋配置有助于減少通過電源開關(guān)的電流，因為與半橋LLC轉(zhuǎn)換器相比，變壓器的初級側(cè)繞組驅(qū)動的電壓高兩倍。由于雙倍電壓，對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)計的LLC拓?fù)涞牧硪粋€優(yōu)勢是可以在整個負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS。然而，MOSFET的硬開關(guān)很容易在啟動時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固性的MOSFET，以確保長期可靠性。除了優(yōu)點之外，LLC拓?fù)溥€有一個缺點：功率流是通過可變頻率而不是脈寬調(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，EMI濾波器的設(shè)計可能會變得更具挑戰(zhàn)性。此外，LLC轉(zhuǎn)換器的并行級同步變得更加復(fù)雜，因為很難規(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)換器的次級側(cè)