【導(dǎo)讀】為深入剖析當(dāng)前電源設(shè)計(jì)普遍面臨的難題，并提供一系列切實(shí)可行的解決方案和創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，德州儀器專家創(chuàng)建“電源設(shè)計(jì)小貼士”系列技術(shù)文章，介紹電源設(shè)計(jì)的常見(jiàn)提示和技巧，幫助設(shè)計(jì)人員更好應(yīng)對(duì)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，助力設(shè)計(jì)更加高效、可靠。
為深入剖析當(dāng)前電源設(shè)計(jì)普遍面臨的難題，并提供一系列切實(shí)可行的解決方案和創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，德州儀器專家創(chuàng)建“電源設(shè)計(jì)小貼士”系列技術(shù)文章，介紹電源設(shè)計(jì)的常見(jiàn)提示和技巧，幫助設(shè)計(jì)人員更好應(yīng)對(duì)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，助力設(shè)計(jì)更加高效、可靠。
為了優(yōu)化電動(dòng)汽車 (EV) 的電源，車載充電器 (OBC) 必須高效、輕便、小巧。電動(dòng)汽車重量減輕后，也需要更低的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而提高整體效率。
OBC 需要支持適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)到車輛 (G2V) 電壓和當(dāng)前的電池充電算法；因此，它可以作為電網(wǎng)和電動(dòng)汽車之間的功率調(diào)節(jié)接口（圖 1）。此外，它必須能夠通過(guò)車輛到電網(wǎng) (V2G) 供電，為電動(dòng)汽車補(bǔ)充峰值容量可能波動(dòng)的可再生能源。
圖 1 OBC 需要支持適當(dāng)?shù)?G2V 電壓并通過(guò) V2G 供電
為方便電網(wǎng)和電動(dòng)汽車內(nèi)的高壓電池連接，需要一個(gè)電磁干擾 (EMI) 濾波器、功率因數(shù)校正 (PFC) 和一個(gè)隔離式直流/直流功率級(jí)。圖 2 展示了此架構(gòu)。
圖 2 這個(gè)簡(jiǎn)化原理圖顯示了 OBC 如何作為電網(wǎng)和電池之間的接口
本次討論的范圍僅限于直流/直流級(jí)。截至撰寫本文時(shí)，直流/直流級(jí)的兩種常見(jiàn)選擇是電容-電感-電感-電容 (CLLLC) 和雙有源電橋 (DAB) 拓?fù)洌▓D 3 和 4）。這兩個(gè)選項(xiàng)都可以實(shí)現(xiàn)小尺寸解決方案，并滿足必要的 G2V 和 V2G 功率需求。
圖 3該原理圖顯示了 CLLLC 的基本拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto; font-family: Arial, 微軟雅黑; font-size: 15px; text-wrap-mode: wrap; background-color: rgb(247, 247, 247);"/>
圖 4 該原理圖顯示了 DAB 拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto; font-family: Arial, 微軟雅黑; font-size: 15px; text-wrap-mode: wrap; background-color: rgb(247, 247, 247);"/>
更大限度地提高 OBC 性能并減小其尺寸
為了理解這兩種拓?fù)溥x項(xiàng)如何影響 OBC 的尺寸和性能，本文進(jìn)一步將范圍限制在電池充電運(yùn)行階段（或 G2V），考慮如何通過(guò)提供開(kāi)關(guān)可承受的最大電池功率來(lái)更大限度縮短充電時(shí)間。例如，請(qǐng)考慮在以下工作條件下運(yùn)行的開(kāi)關(guān)：
?PDISS = 20W
??JA = 3°C/W
?TA = 65°C
根據(jù)公式 1，開(kāi)關(guān)的 TJ= 125°C：
TJ=PDISS??JA+TA (1)
此設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)不能承受高于 125°C 的溫度；因此，該條件代表 OBC 在不影響開(kāi)關(guān)性能的情況下可為電池提供的最高功率級(jí)別。目標(biāo)是更大程度地降低開(kāi)關(guān)中的功率耗散，并盡快為電池充電。
有兩大因素決定了開(kāi)關(guān)中的大部分功率損耗：均方根 (RMS) 電流和開(kāi)關(guān)保持零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 的能力。
鑒于其低電容及快速導(dǎo)通和關(guān)斷特性，德州儀器 (TI) 的 GaN 開(kāi)關(guān)能夠使轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率比硅片的更高。更高的工作頻率直接影響無(wú)功元件的尺寸，并實(shí)現(xiàn)更小的變壓器、電感器和電容器。本文首先為 DAB 和 CLLLC 建立基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，然后探討如何增強(qiáng)電路來(lái)擴(kuò)展轉(zhuǎn)換器的 ZVS 范圍。
基準(zhǔn) DAB 和 CLLLC 性能比較
表 1 概述了 OBC 的基本要求。
表 1 OBC 電源要求
為 DAB 和 CLLLC 創(chuàng)建詳細(xì)的設(shè)計(jì)有助于確定更可行的儲(chǔ)能回路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程超出了本文的討論范圍；然而，電路仿真最好能夠充分地估算開(kāi)關(guān)中的損耗，并驗(yàn)證與總體功能的符合性。本文將仿真器配置為在不同的功率級(jí)別以及輸入和輸出電壓下以批量模式運(yùn)行，并測(cè)試了不同的 DAB 和 CLLLC 電感、電容和匝數(shù)比等值。在每次仿真運(yùn)行中，本文都會(huì)收集有關(guān) VIN、VOUT、開(kāi)關(guān)功率、RMS 電流和開(kāi)關(guān) ZVS 條件等參數(shù)的數(shù)據(jù)。表 2 總結(jié)了兩種優(yōu)化的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。
表 2 DAB 和 CLLLC 優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖 5 突出展示了各仿真結(jié)果。雖然每個(gè)拓?fù)渲杏邪藗€(gè)開(kāi)關(guān)，但圖表僅繪制了功率損耗最高的開(kāi)關(guān)。對(duì)于每個(gè)開(kāi)關(guān)，都有三個(gè)圖。第一個(gè)是開(kāi)關(guān)中的總損耗。第二個(gè)是流經(jīng)開(kāi)關(guān)的 RMS 電流。最右側(cè)的第三個(gè)圖展示了特定 GaN 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)最壞情況下的漏源電壓。這是 ZVS 損耗量的關(guān)鍵指標(biāo)；該電壓越高，相應(yīng)開(kāi)關(guān)中的損耗越大。因此，開(kāi)關(guān)的 RMS 電流及其維持 ZVS 的能力決定器件的主要功率損耗。
圖 5 仿真結(jié)果顯示了 CLLLC 和 DAB 的 RMS 和 ZVS 基本情況
通過(guò)仔細(xì)研究上述數(shù)據(jù)，可以明顯地看出 CLLLC 能夠在更寬的運(yùn)行范圍內(nèi)維持 ZVS。因此，增強(qiáng)型 ZVS 有助于降低 CLLLC 開(kāi)關(guān)中的功率損耗。話雖如此，但在 6.6kW 運(yùn)行功率下，DAB 具有卓越的性能，這得益于它在大部分范圍內(nèi)具有良好的 ZVS 和更低的 RMS 電流。這些觀察結(jié)果建議尋找一種方法來(lái)改進(jìn) ZVS，而不對(duì) RMS 電流產(chǎn)生不利影響。
利用換向電感器提高 ZVS
圖 6 和圖 7 展示了與圖 3 和 4 相同的 CLLLC 和 DAB 電路，其中在拓?fù)渲刑砑恿祟~外的電感器（以黃色突出顯示），以便提供在更寬的工作范圍內(nèi)維持 ZVS 所需的額外電流?，F(xiàn)在，假設(shè)有一種情況，即這些額外的電感器始終可以正常工作。
圖 6 該原理圖顯示了帶換向電感器的 CLLLC
圖 7 該原理圖顯示了具有換向電感器的 DAB
為便于參考，表 3 列出了新增電感器的值，其他儲(chǔ)能回路參數(shù)與上表相同。
表 3 具有換向電感器 (LC) 值的 DAB 和 CLLLC 設(shè)計(jì)
圖 8 展示了重復(fù)圖 5 中的仿真后的結(jié)果。
圖 8 每個(gè)電路的 RMS 和 ZVS 結(jié)果顯示了 LC 的影響
在這種情況下，請(qǐng)注意 DAB 能夠在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全 ZVS。GaN 開(kāi)關(guān)的 VDS 在開(kāi)通時(shí)始終為 0V 這一事實(shí)清楚地說(shuō)明了這一點(diǎn)。CLLLC 雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的 ZVS，但能夠明顯改善 ZVS。不過(guò)，還要注意，ZVS 的改善會(huì)顯著降低兩種拓?fù)渲械?RMS 電流。僅從功率損耗來(lái)看，DAB 轉(zhuǎn)換器似乎在大部分范圍中都具有優(yōu)勢(shì)。
言歸正傳，本文將比較圖 8 和圖 5，您會(huì)發(fā)現(xiàn)在某些情況下?lián)Q向電感器實(shí)際上會(huì)增加損耗。這就引出了一個(gè)問(wèn)題：是否有可能創(chuàng)建一種混合方法，將圖 5 和圖 8 中所示的損耗降到最低？
盡量減少總損耗：一舉多得
增加換向電感器可實(shí)現(xiàn)更廣泛的工作條件，其中轉(zhuǎn)換器可保持 ZVS。當(dāng)轉(zhuǎn)換器無(wú)法保持 ZVS 時(shí)，這種做法具有巨大優(yōu)勢(shì)。換向電感器的問(wèn)題在于，它只會(huì)在無(wú) ZVS 時(shí)改善損耗。如果轉(zhuǎn)換器已經(jīng)處于 ZVS 中，則換向電感器會(huì)因電流增加而影響運(yùn)行，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)中的歐姆損耗更大。
這個(gè)思維過(guò)程產(chǎn)生了一種混合測(cè)試方法，其中換向電感器在較重負(fù)載下保持關(guān)閉狀態(tài)，在較輕負(fù)載下開(kāi)啟。圖 9 顯示了重復(fù)使用此方法進(jìn)行仿真后的結(jié)果，這使設(shè)計(jì)能夠利用每種拓?fù)涞妮^低 RMS 電流和重負(fù)載下的自然 ZVS 能力。
為了防止開(kāi)關(guān)中出現(xiàn)不需要的 RMS 電流或解決方案尺寸，本文只是謹(jǐn)慎增加了足夠的換向電感和工作時(shí)間，以適應(yīng)開(kāi)關(guān)的熱范圍。請(qǐng)注意，DAB 轉(zhuǎn)換器不能在工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全 ZVS。ZVS 得到了很大改善，但僅在需要時(shí)保持在上述的 20W 開(kāi)關(guān)目標(biāo)范圍內(nèi)。
圖 9 這些是使用混合方法獲得的 RMS 和 ZVS 結(jié)果
為了更好地體現(xiàn)各種權(quán)衡因素，圖 10 總結(jié)了每種情況的功率損耗。您可以看到在開(kāi)關(guān)中的功率損耗方面，DAB 轉(zhuǎn)換器具有明顯優(yōu)勢(shì)。
圖 10 每種情況下的功率損耗摘要有助于直觀顯示各種權(quán)衡
為了更好地說(shuō)明這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的性能，圖 11 更改格式重新繪制了圖 10 中所示的數(shù)據(jù)。該圖顯示了假設(shè)開(kāi)關(guān)不能安全地耗散超過(guò) 20W 的功率，每個(gè)轉(zhuǎn)換器可提供的最大功率。請(qǐng)記住，20W 表示開(kāi)關(guān)可承受的最大損耗且仍保持結(jié)溫低于 125°C。
圖 11 該圖顯示了每個(gè)轉(zhuǎn)換器可提供的最大功率
CLLLC 更好，還是 DAB 更好？
圖 11 中的藍(lán)線在紅線上方證明了 DAB 轉(zhuǎn)換器能夠在整個(gè)范圍內(nèi)提供比 CLLLC 更大的功率。這使人們很容易以為 DAB 是當(dāng)之無(wú)愧的贏家。但是，請(qǐng)記住超小尺寸和重量是 OBC 的核心要求。DAB 轉(zhuǎn)換器需要兩個(gè)額外的電感器，但 CLLLC 只需要一個(gè)。因此本文認(rèn)為，CLLLC 更勝一籌。
與大多數(shù)工程設(shè)計(jì)工作一樣，最好的方法大多就是根據(jù)要求進(jìn)行權(quán)衡。獲得巨大優(yōu)勢(shì)往往會(huì)有代價(jià)，這次也不例外。本文認(rèn)為，CLLLC 在尺寸方面比 DAB 更具優(yōu)勢(shì)。
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