【導(dǎo)讀】隨著雙碳目標(biāo)的推進(jìn)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“OBC”)，正朝雙向能量傳輸?shù)姆较虬l(fā)展，其既能從電網(wǎng)獲取電能，又可將電能反饋至電網(wǎng)。配置了雙向OBC的電動(dòng)汽車(chē)，可用剩余電量為耗盡電量的電動(dòng)汽車(chē)充電，也可在戶(hù)外充當(dāng)220 V電源，還可被當(dāng)作分布式儲(chǔ)能站，幫助電網(wǎng)消峰填谷。本文將探討CLLC拓?fù)湓陔p向OBC應(yīng)用中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和安森美(onsemi)的6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)如何解決這些挑戰(zhàn)。
什么是CLLC拓?fù)?/p>
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(yīng)用中，包括單向OBC，很多都會(huì)用到LLC拓?fù)洌驗(yàn)樗哂心苄Ц摺MI表現(xiàn)好、開(kāi)發(fā)難度低等優(yōu)勢(shì)，但這種拓?fù)渲荒苡糜趩蜗蚰芰總鬏敗?/p>
圖1：雙向OBC框圖
大部分的雙向OBC中隔離DCDC級(jí)都會(huì)采用CLLC拓?fù)洹LLC拓?fù)?如圖2所示)是將LLC拓?fù)渲须姵貍?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(gè)C來(lái)確保磁平衡。給電池充電的時(shí)候，左側(cè)的橋做主動(dòng)開(kāi)關(guān)，右側(cè)的橋做同步整流；當(dāng)電池向外做逆變的時(shí)候，右側(cè)的橋做主動(dòng)開(kāi)關(guān)，左側(cè)的橋做同步整流。CLLC繼承了LLC拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，采用脈沖頻率調(diào)節(jié)來(lái)控制增益，具有同樣的軟開(kāi)關(guān)特性，因此，能效高，EMI表現(xiàn)好，簡(jiǎn)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(gè)6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)SEC-6K6W-CLLC-GEVK，它采用寬母線電壓范圍來(lái)應(yīng)對(duì)電池電壓變化，峰值能效超過(guò)98%，幫助設(shè)計(jì)人員解決挑戰(zhàn)，加快開(kāi)發(fā)。
圖2：CLLC拓?fù)?/p>
圖3：6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)SEC-6K6W-CLLC-GEVK的峰值能效超過(guò)98%
6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)SEC-6K6W-CLLC-GEVK
安森美的6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)SEC-6K6W-CLLC-GEVK包括三個(gè)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(guò)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(cè)試。左側(cè)是諧振腔組合，包含了一個(gè)集成了諧振電感的變壓器和兩個(gè)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(shí)現(xiàn)更小體積。諧振腔也是可拆卸的，方便設(shè)計(jì)人員驗(yàn)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(fēng)扇、輔助電源、保護(hù)電路等等。連接電源和負(fù)載就可以在滿載下做長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。
圖4：6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)SEC-6K6W-CLLC-GEVK
功率板中，位于母線側(cè)和電池測(cè)的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率和極高效的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)這八顆SiC MOS的是八顆磁隔離大電流驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制板通過(guò)控制接口送出。
控制接口的所有信號(hào)都位于電池側(cè)，電平不超過(guò)12 V。電池端的電壓、電流通過(guò)采樣完通過(guò)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(dú)立的ADC來(lái)完成，數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線再經(jīng)數(shù)字信號(hào)隔離器傳到控制接口。
控制板中，我們選用了一顆車(chē)規(guī)級(jí)的LLC控制芯片NCV4390，來(lái)做脈沖頻率調(diào)制 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PFM”) 和同步整流控制；用低功耗MCU，來(lái)做充電的恒壓值設(shè)定；用車(chē)規(guī)級(jí)軌到軌運(yùn)放NCV33204來(lái)做恒流充電控制；再配上我們的車(chē)規(guī)級(jí)邏輯器件來(lái)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(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)尖峰，最好從降低PCB寄生電感著手，可以通過(guò)添加旁路電容實(shí)現(xiàn)。
高電壓低Rdson的SiC MOSFET，它的Qg很大，為了在高開(kāi)關(guān)頻率下維持高效，必須用大電流的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)。另外，我們方案的控制接口位于電池側(cè)，驅(qū)動(dòng)母線側(cè)的MOS必須要隔離，而且要符合安規(guī)。雖然驅(qū)動(dòng)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(hù)和故障報(bào)告功能是其亮點(diǎn)。
隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)不錯(cuò)的選擇是NCV51561同樣帶安規(guī)隔離，驅(qū)動(dòng)電流更大，一推二，延時(shí)更短。雖然沒(méi)有過(guò)流保護(hù)，但它的雙高禁止功能也能保護(hù)到來(lái)自信號(hào)端的，由于干擾或誤操作而造成的炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。
選擇高壓輔助電源的最佳拓?fù)?/p>
該6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)的輔助電源采用了“反激 + Buck-boost”的拓?fù)湟詰?yīng)對(duì)高達(dá)750 V的母線電壓，如表1，相較其他3種拓?fù)洌@種反激+Buck-boost拓?fù)湓诔杀尽⒛苄А⑤斎腚妷合孪蕖⒖煽啃浴⒛妇€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?fù)?/p>
選擇為高邊門(mén)極驅(qū)動(dòng)供電的最佳方案
輔助電源設(shè)計(jì)當(dāng)中的另外一個(gè)挑戰(zhàn)，是多組且隔離的電源軌。該6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)總共需要7組電源軌。
SiC驅(qū)動(dòng)需要負(fù)壓，且SiC MOS的Vcc容差范圍較窄，所以不宜采用自舉，否則會(huì)帶來(lái)穩(wěn)壓、時(shí)序、功耗、噪聲等諸多問(wèn)題。而如果采用隔離DCDC，會(huì)存在PCB占位、成本和噪聲干擾等問(wèn)題。第3種方法是通過(guò)變壓器繞組來(lái)輸出所有電壓，這是這幾種方法里成本最低的一種，但缺點(diǎn)是工藝不好控制，易出錯(cuò)，噪聲干擾大。我們的6.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)采用的脈沖變壓器擴(kuò)展繞組解決了上述3種方法的所有問(wèn)題，更重要的是它大大縮短了動(dòng)點(diǎn)引線的長(zhǎng)度。
雙沿跟蹤自適應(yīng)同步整流控制
前面提到，在控制板中采用LLC控制器NCV4390來(lái)做PFM環(huán)路和同步整流控制。NCV4390采用電流模式，環(huán)路響應(yīng)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(hù)功能也非常強(qiáng)大。值得強(qiáng)調(diào)的是，這種雙沿跟蹤同步整流控制方法已獲市場(chǎng)驗(yàn)證是非常靠譜的。
總結(jié)
電動(dòng)汽車(chē)OBC正朝向雙向能量傳輸?shù)姆较虬l(fā)展，以配合雙碳目標(biāo)的推進(jìn)。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(jí)都會(huì)采用CLLC拓?fù)洹０采赖?.6 kW CLLC參考設(shè)計(jì)SEC-6K6W-CLLC-GEVK，基于SiC MOS，峰值能效超過(guò)98%，還解決了CLLC拓?fù)湓陔p向OBC應(yīng)用中的PCB占位、噪聲干擾、可靠性和成本等諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，它采用硬件控制器來(lái)做PFM控制，幫助設(shè)計(jì)人員加快開(kāi)發(fā)。更多資料，包括物料單(BOM)、線路圖、Gerber文件和測(cè)試報(bào)告，請(qǐng)到這里獲取。
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