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开发基于碳化硅的25kW快速直流充电桩(第二部分):方案概述

2021-12-13 18:06:04 Karol Rendek、Stefan Kosterec、Dionisis Voglitsis和Ra 阅读:
在本系列文章的第一部分中,我们介绍了电动车快速充电器的主要系统要求,概述了这种充电器开发过程的关键级,并了解到安森美(onsemi)的应用工程师团队正在开发所述的充电器。现在,在第二部分中,我们将更深入研究设计的要点,并介绍更多细节。特别是,我们将回顾可能的拓扑结构,探讨其优点和权衡,并了解系统的骨干,包括一个半桥SiC MOSFET模块。

在本系列文章的第一部分中,[1]我们介绍了电动汽车快速充电器的主要系统要求,概述了这种充电器开发过程的关键级,并了解到安森美(onsemi)的应用工程师团队正在开发所述的充电器。现在,在第二部分中,我们将更深入研究设计的要点,并介绍更多细节。特别是,我们将回顾可能的拓扑结构,探讨其优点和权衡,并了解系统的骨干,包括一个半桥SiC MOSFET模块。xlnednc

正如我们所了解的,电动汽车快速充电器通常含一个三相有源整流前端处理来自电网的AC-DC转换并应用功率因数校正(PFC),后接一个DC-DC级提供隔离并使输出电压适应电动汽车电池的需要(图1)。xlnednc

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1.一个含多个功率级的大功率快速直流充电器(左。电动汽车快速直流充电系统的高级架构(右)。xlnednc

鉴于所提出的具挑战的要求和当前的市场趋势,系统工程团队考虑了几个替代方案来实现这两个转换级。最后,结论是在AC-DC级利用6开关有源整流器,在依赖移相调制的DC-DC级利用双有源桥(DAB)。这两种架构都支持双向功能,并有助受益于1200V SiC模块技术,1200V SiC模块技术是快速和超快直流充电器的基石。接下来,我们将深入研究这两个主要的功率级。xlnednc

有源整流升压PFC)

3相6开关有源整流级有助于实现0.99的功率因数和低于7%的总谐波失真,这些都是商用直流充电器系统的常见要求。与T-NPC或I-NPC等3级PFC拓扑结构相比,它提供了一个高效的双向方案,而且元件数量少。总的来说,这种两级架构在实现系统要求的同时,也带来了更胜一筹的性价比。xlnednc

直流链路将在800V的高电压下运行,以减少峰值电流,从而最大化能效和功率密度(图2)。为此,两级架构需要1200V的VBD功率开关。xlnednc

系统的开关频率被设定为70kHz,以保持二次谐波低于150kHz,这使传导辐射得到控制,并促进符合EN 55011 A类(欧盟)和FCC Part 15 A类(美国)规范(适用于连接到交流电网的系统)。其中,这些规范对注入电网的传导辐射程度设定了限值。这种方法简化了EMI滤波器的复杂性,使现成的方案成为适用的理想方案,从而达到本项目的目的。xlnednc

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2.三相6开关拓扑结构,带有功率因数校正(PFC)的有源整流,也被称为PFCxlnednc

双有源全桥DC-DC

DAB的DC-DC级将含两个全桥、一个25kW的隔离变压器和一个初级侧的外部漏电感,以实现零电压开关(ZVS)(图3)。在单变压器结构中实现该转换器有利于双向运行。此外,具有单变压器的转换器的对称性有助于最大化功率开关的ZVS的工作范围,从而实现高能效。xlnednc

这解决了该项目面临的一个重大挑战,最大化宽输出电压范围(200V至1000V)的能效,使DC-DC的峰值目标能效达98%。该转换器的工作频率为100kHz,这是个折衷方案,以将开关损耗以及将磁性元件的磁芯和交流损耗保持在合理的水平。xlnednc

此外,该系统将在变压器上运行磁通平衡控制,这种技术省去了在DAB移相结构中与变压器一起工作所需的笨重的串联电容器。在这快速充电器转换器中,给定50A的大均方根(RMS)工作电流、几百伏的必要额定电压和十分之几微法的估计电容值,这种电容将在严格的要求下运行。以目前的现有技术,所有这些要求将导致一个大尺寸的电容器。因此,磁通平衡控制策略有助于减小系统的尺寸、重量和成本。xlnednc

总的来说,DAB DC-DC转换器为电动汽车快速充电器提供了一个全方位考虑的方案,它正在成为这新的快速充电器市场的一个典型方案。这种拓扑结构可以利用移相调制,在宽输出电压范围提供大功率和能效。此外,开发人员可充分利用他们对传统全桥移相ZVS转换器的专知,因为这两种系统之间有相似之处。xlnednc

另一种方案是CLLC谐振转换器,这是一种频率调制拓扑结构,在有限的输出电压范围内运行时,通常提供最高的转换器峰值能效。这种转换器是对LLC的改版,允许双向工作。然而,控制、优化和调整CLLC以实现双向功能,并在较宽的输出电压范围实现高输出功率可能会变得很麻烦,需要结合频率调制和脉冲宽度调制。xlnednc

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3.双有源桥(DABDC-DC。该系统含有两个全桥,中间有一个隔离变压器。xlnednc

工作电压和功率模块

AC-DC和DC-DC级之间的直流链路将在高压(800V)下运行,以减少电流值,从而最大化能效和功率密度。输出电压将在200V至1000V之间摆动(如前所述)。由于转换器是基于两级拓扑结构,因此需要1200V的击穿电压开关才能在这样的电压水平上运行。xlnednc

NXH010P120MNF1半桥SiC模块(图4)含1200V、10mΩ SiC MOSFET,是PFC级和DC-DC转换器的骨干。该模块具有超低RDS(ON),大大降低了导通损耗,且最小化的寄生电感降低开关损耗(与分立替代器件相比)。xlnednc

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4.NXH010P120MNF1 SiC模块采用2-PACK半桥拓扑结构和1200V10mΩ SiC MOSFET,用于实现AC-DCDC-DC转换器。xlnednc

功率模块封装的卓越导热性提高了功率密度(相对于分立SiC器件),减少了冷却需求,并实现了小占位和强固的方案。SiC模块成为一个重要元素,可在紧凑型和轻型系统的AC-DC和DC-DC级中分别实现>98%的能效。xlnednc

此外,模块赋能磁性元件缩减尺寸,适用于更高开关频率,而减少的冷却基础架构要求有利于降低整个系统的每瓦成本。在25kW的电动汽车直流充电桩功率级中,在SiC模块上使用基于风扇的主动冷却,应足以有效地减少系统中的损耗。电容器和磁性元件的选择旨在最大限度地减少其冷却要求,同时满足技术规范。xlnednc

控制模式和策略

数字控制将运行系统,依靠强大的通用控制板(UCB),[3]它采用Zynq-7000 SoC FPGA和基于ARM的芯片。这样一个多功能的控制单元有助于测试和轻松运行数字领域的多种控制方法——如单相移位、扩相移位和双相移位,以及DAB变压器上的磁通平衡——并处理所有板载和外部通信。将使用两个UCB单元,一个用于PFC级,另一个用于DC-DC。xlnednc

驱动器

栅极驱动器对整个系统的性能和能效也至关重要。为了充分利用SiC技术,必须高效地驱动SiC MOSFET并确保快速转换。与硅基器件不同,SiC MOSFET通常工作在线性区域(而不是饱和状态)。在选择适当的VGS时需要考虑的一个重要方面是,与硅基器件不同,当VGS增加时,即使在相对较高的电压下,SiC MOSFET也仍会表现出RDS(ON)的显著改善。[4]xlnednc

为了确保最低的RDS(ON),并大大减少导通损耗,建议导通时使用+20V的VGS。对于关断,建议使用-5V,这样可以减少"关断"过渡期间的损耗,并提高鲁棒性,防止意外导通。xlnednc

此外,高驱动电流是必要的,以实现适合SiC MOSFET的高dV/dt,这也有助于最小化开关损耗。考虑到这一点,PFC和DC-DC级选用NCD57000 5kV电隔离大电流驱动器。xlnednc

该单通道芯片确保了快速开关转换,源/汲电流+4A和-6A,并耐用,显示出高共模瞬态抗扰度(CMTI)。由于采用了分立式输出,导通和关断的栅极电阻是独立的(图5),允许单独优化导通和关断的dV/dt值并减少损耗。xlnednc

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5.带有DESAT保护和分输出的隔离栅极驱动器的简化应用原理图。xlnednc

此外,片上的DESAT功能对于确保SiC晶体管所需的快速过流保护非常有利,其特点是短路耐受时间比IGBT更短。下桥驱动系统将复制上桥驱动系统,这是用于快速开关系统的大功率应用中经验证的好的做法。xlnednc

隔离和电路的对称性(上桥和下桥)有助于防止来自不同来源的问题(EMI、噪声、瞬态等),从而实现一个更强固的系统。+20V和-5V隔离偏置电源将由SECO-LVDCDC3064-SiC-GEVB提供,具有工业标准的引脚布局。xlnednc

关键物料单

表1概述了将用于设计的关键半导体元件和功能块。xlnednc

表1.25kW电动汽车直流充电桩中采用的关键半导体元器件xlnednc

SiC功率模块 NXH010P120MNF1半桥集成1200V、10mΩ SiC MOSFET[5]
栅极驱动系统 NCD57000驱动器[6] +20V/-5VSECO-LVDCDC3064-SiC-GEVB隔离电源[7]
感知 NCD98011 12位SAR ADC[8]NCID9211高速双通道、双向陶瓷数字隔离器[9]NCS21xR电流检测放大器[10]NCS20034 7MHz四路运算放大器
辅助电源 SECO-HVDCDC1362-15W15V-GEVB高压电源单元(PSU)[11]

整合一切

图6显示了上面介绍的所有系统器件如何在实际设计中组合在一起以提供一个完整的方案。图7让您很好地了解实际硬件的外观。xlnednc

PFC级位于DC-DC级的顶部,形成了一个紧凑而全面的结构。这些模块的整体尺寸加起来最大为380mm×345mm×(200至270)mm(长×宽×高),高度随封装的电感器件而异。最终,这些25千瓦的单元可以堆叠在一起,在一个超快速的电动汽车直流充电桩中实现更高的功率水平。xlnednc

后续部分简介

在本系列文章的后续部分,我们将进一步详细讨论三相PFC级和DAB移相转换器的开发,包括仿真和其他系统考量。最后将展示测试结果。xlnednc

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6.25kW电动汽车直流充电桩的高级框图xlnednc

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7.实际PFC(左)和DC-DC(右)级的3D模型。SiC模块位于每个散热器下面。在这些模型中,可以看到栅极驱动电源、通用控制器板(UCB)和无源块。这些组件的其他视图可以在一个在线视频中看到[12]xlnednc

关于作者

Karol Rendek是安森美系统工程中心的应用经理。Karol于2020年加入安森美。此前9年,他在嵌入式系统、D类放大器、机车车辆控制和安全系统以及工业电动车充电器的开发中担任硬件工程师、系统工程师和项目经理。Karol持有布拉迪斯拉发的斯洛伐克科技大学微电子学硕士和博士学位。他在攻读博士期间花了三年时间专研氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)的低频噪声分析。 xlnednc

Stefan Kosterec是安森美系统工程中心的应用工程师。Stefan于2013年加入安森美。此前,他在西门子PSE工作了8年,担任ASIC/FPGA设计师,开发针对不同领域的数字解决方案,其中包括通信、电源转换和电机控制。他还在Vacuumschmelze担任过两年的电感元件设计师,并在艾默生能源系统公司担任过产品完整性工程师,负责电信电源系统的验证。Stefan持有斯洛伐克特尔纳瓦技术大学材料科学和技术学院的应用信息学硕士学位。xlnednc

 Dionisis Voglitsis是安森美的应用工程师。他负责电机控制和充电应用的控制算法和控制方案的开发和实施。在2019年加入安森美前,Dionisis曾担任多个欧洲和国家研究项目的研究员,同时他也曾加入飞利浦的先进技术中心。Dionisis是其领域内30多篇研究和技术论文的作者和共同作者,发表在高质量的期刊(IEEE Transactions和Journals)上,这些被200多份论文引用。他还是 "Energies "MDPI期刊的客座编辑。他持有能源工程的工程学位,荷兰代尔夫特理工大学的无线电力传输硕士学位,以及希腊德谟克利特大学(DUTH)的电气工程博士学位。xlnednc

Rachit Kumar是安森美系统工程中心的高级应用工程师。Rachit于2020年加入安森美。Rachit从事嵌入式软件开发超过10年,专注于电机控制算法。在加入安森美前,Rachit在Nanotec电子公司从事低功率BLDC和步进电机控制器的嵌入式系统开发。Rachit持有德国Ravensburg-Weingarten应用科学大学的机电一体化硕士学位。xlnednc

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