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25kW SiC直流快充设计指南 (第三部分):PFC仿真

2022-03-15 18:00:01 安森美(onsemi) Karol Rendek, Stefan Kosterec 阅读:
在本系列的前几篇文章中,我们介绍了电动车快充系统的主要系统要求,概述了系统开发过程中的关键阶段以及认识了参与设计25kW SiC直流快充系统的工程师团队。现在,让我们更深入了解25kW SiC快充设计。在第一、第二部分中我们聊了聊所选择的规格、拓扑和市场背景,今天我们将着重于ACDC转换部分的仿真,同时还有在之前被称为“三相有源整流”部分,简称PFC。

在本系列的前几篇文章中,我们介绍了电动车快充系统的主要系统要求,概述了系统开发过程中的关键阶段以及认识了参与设计25kW SiC直流快充系统的工程师团队。现在,让我们更深入了解25kW SiC快充设计。在第一、第二部分中我们聊了聊所选择的规格、拓扑和市场背景,今天我们将着重于ACDC转换部分的仿真,同时还有在之前被称为“三相有源整流”部分,简称PFC。nowednc

如第一部分中提到,电源仿真有助于在设计和构建硬件系统之前验证假设,发现在器件选型、PCB layout、甚至后期测试中可能存在的问题。例如,仿真能帮助我们测试有关电压、电流、开关频率、损耗、散热和控制算法的工作。nowednc

除了验证,仿真的结果还有助于解决设计过程中其它重要的步骤,比如被动器件的选择。一套有效的仿真流程能够减少产品开发周期的调试以及硬件损耗,加快整个过程。nowednc

仿真之前的准备工作

在仿真开始之前,事前准备也是十分重要的。下面列出了我们认为最重要的几项准备工作,以及对应的处理方式。nowednc

仿真的目标

事前想好仿真目标是非常重要的。目标会影响建立仿真模型的细节,我们将会在下一部分中着重提到。在这个项目中,PFC的电源仿真帮助设计团队解决了以下几个问题:nowednc

  • 在硬件设计前进行PFC的功能验证
  • 确认工作节点时的DC输出电压、电流、功率,应当满足其它系统要求
  • 确认以70kHz开关频率下的效率值可以达标
  • 预估了功耗
  • 确认了栅极驱动器的栅极电阻值 (Demo的起始值)
  • 确认了PFC电感的参数 (可发给电感供应商,加速供货周期)
  • 基于电流纹波 (临界值),ESR,容值和电压,确认了电解电容参数

电源仿真模型和软件

仿真模型是整个过程中的关键。模型再现了电路中每个器件的功能和参数。模型中的每个器件,比如:开关管、二极管、栅极驱动器以及被动器件,都可以用不同程度的参数增加细节。当然也存在难以建模的器件。一套复杂的模型运行起来会更加耗时,较简单的模型能够在许多不同系统条件下进行仿真,从而对应不同问题。nowednc

本次系统的开发捷径是简化模型,从而加速仿真和设计过程。当然,模型的精确性是非常关键的,会大大影响到结果。我们对不影响功能和电气参数的器件模型进行了简化处理,而对关键器件进行了更加精确的建模。nowednc

仿真软件

电源仿真常常基于已有的SPICE模型,在这个项目中,我们使用了SIMetrix,混合模式的仿真软件,为快速收敛提供强大的仿真功能。nowednc

输入参数

模拟的最后一个基本要素是评估那些特定器件和参数。这样的仿真能够帮助我们提供这些满足系统要求的参数的最佳组合。本次设计中,我们认为最重要的器件有:nowednc

  • PFC电感。PFC电感的参数应当尽早地根据应用的要求,输入电压,功率和电流确定。其次,我们应该考虑它的尺寸和性价比。设计团队计算并估计感值应该在几十μH以内。
  • 输出电容。电容的选择基于回路电流和纹波电压,由于DC母线的电压较高 (约1000V),所以我们需要几个串联的电解电容来对应高母线电压。
  • 开关频率。频率值是由给定的电感值和电网要求预先确定的。如第二部分提到的,70Hz是同时能满足效率和EMI要求的方案。

这些通过各种方法确认参数的初始值会通过仿真进行验证。用于确定初始值的方法包括:标准容感设计计算、借鉴现有设计、历史文献和图纸。利用深入分析这些方法,可以对参数进行有根据的猜测,我们将在后面的仿真结果中再次提到。nowednc

开始仿真

在这个部分中,我们将介绍为本次设计建立的仿真模型 (次模型),并重点解释模型特点以及被忽略的内容。此外,还有针对不是基础或必要的模型所采取的措施。最后是一份总结表。nowednc

图1显示了在SIMetrix中的仿真模型,包括功率部分 (上) 和PWM部分 (下)。后续会带来有关算法的内容。nowednc

PWM调制回路基于一个典型的空间矢量脉宽调制算法(SVPWM),能够简化控制回路并使其通过PI调节器寻址。我们使用了测量出的主相电压作为控制器输入来简化模型,而在实际的硬件系统里,我们需要在数字域中使用锁相环来测量瞬时电源参考电压。nowednc

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图1. PFC部分的SIMetrix模型nowednc

母线母线网络模型

电源模型由3条可配置的母线组成,能产生相位差为120°的50/60Hz正弦曲线。初始相位可以更改,对于验证输入的浪涌电流保护回路很有帮助。为了方便考虑,大部分仿真模型中的负载都为阻性负载。nowednc

作为仿真的一部分,我们需要基本的、针对输入滤波的差模传导干扰 (CE) 的验证,可以在电源和滤波器之间插入人工电源网络  (AMN,Artificial Mains Network) 或阻抗稳定网络 (LISN,Line Impedance Stabilization Network,根据CISPR22)。对于这块内容,我们不在本系列进行讨论。电网的模型也包括了影响控制的交流电网阻抗,因此加入仿真可以提高仿真的精确度。nowednc

输入滤波

输入滤波是变换器的第一个部分,这次仿真我们不会做任何输入滤波模型的设计,所以采用了一个简化的模型 (图2) 。如第二部分所提到的,那是一个现成的模型。nowednc

在这次的仿真中加入滤波器件带来了两个好处。第一,滤波器的输出阻抗是PFC控制回路的一部分,没有它我们很难得到一个可靠的PFC回路。在设计阶段,不考虑EMI滤波终究会给你的产品带来麻烦。nowednc

第二,为了得到一个更精确的效率和热管理的模拟,我们也将了滤波器的功率损失加入仿真。再次强调本次仿真的其中一个目标是为了验证我们的控制方案,以及会对最终产品性能有影响的器件。nowednc

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图2. 输入滤波回路模型nowednc

浪涌电流保护

浪涌电流保护是EV充电系统中关键的一环,我们也需要为这一环做好仿真。该模型的实现并不复杂,典型的三相系统,其中两相由电阻和继电器并联构成,如图3。由于系统并不涉及到中性线,所以不必在第三相上增加电阻。(图1中的电阻R代表了连接产生的等效电阻。)nowednc

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图3. 浪涌电流保护模型nowednc

一般来说,浪涌电流的仿真能够验证由电阻产生的最大能量耗散,从而帮助选择正确的元器件。nowednc

PFC电感模型

SPICE仿真软件能提供自带的电感模型,但较为简单且无法体现功率系统里电感的重要特性,比如自饱和和自谐振效应。图4中我们建立的模型则包含了这一些重要部分。电感饱和效应参考查找表,提供了相对磁感率(μr)和磁场强度(H)的关系。绕组损耗由一颗串联电阻体现。图4说明了更多有关这些元素在模型中的细节。nowednc

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图4. 带饱和和自谐振效应的电感模型。饱和效应(感值随着不同工作电流变化)的建模是根据查找表和磁性设计标准公式:(1) L = μ0 μr ( Ae/Le) N2,(2)  H = (N × I)/Le ,(3)  查找表μr = f(H),(4) VL = L × dI/dt,B1为电感电压。L和dI/dt分别由 (1)号公式和 (4)号公式根据测试电感L1 (1H)推导得到。F1是一个电流驱动的电流源,1:1匝数比,输出等于电感模型测量值。因为L1 = 1H,所以dI/dt = V (dI_dt-REF) 。F1对电感模型没有任何影响,仅在计算每个点的VL、PFC的系统中,用于推导dI/dt。L (B1、F1和L1)、Cp和Rp模拟了电感的自谐振特性。nowednc

功率部分模型

功率部分是整个功率变换的重点,也是仿真模型的关键。它包含了3个半桥SiC模块和栅极驱动。驱动系统对整体性能的影响相当显著(对基于SiC的系统影响更大),所以我们强烈建议将其加入整体仿真,哪怕只囊括部分。然而目前的问题是已有的栅极驱动器的模型为了适应更多常见往往设计得较为复杂。一般而言,对系统级的模拟,或者说对本次项目的模拟,一个简化的驱动模型就已经足够了。nowednc

尽管驱动的参数表里不会详细的体现I-V关系,但我们可以通过使用特定几个点对应的驱动输出参数(最大输出/吸收电流)和上升下降时间来得到一个输出特性的近似值,从而提高了仿真的精确性和一个可接受的计算时间。我们使用这种方法来模拟栅极驱动器NCD57000(图5)nowednc

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图5. A相的功率部分模型nowednc

功率模块

为功率模块中的SiC MOSFET建模,显而易见地是整体仿真的关键步骤。如同栅极驱动器,也有具有相当详细的SiC MOSFET的模型存在,这些通常用于设备特性描述和提取任何工作条件下的设备参数。这些模型扩展了数据表中往往在特点工作点下所展示的信nowednc

[3]nowednc

然而,在我们的仿真模型中,我们需要6个不同的开关器件,而这些模型会让仿真变得相当缓慢。趋同问题也经常出现。所以在这种情况下,我们可以采用一种实用的方法:创建一个简化的,包含对整体系统有巨大影响的主要元素和特性的模型。(图6)nowednc

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图6. 简化后的MOSFET模型nowednc

上图的模型能够体现以下几个SiC MOSFET的关键参数:3个主要的寄生电容,RDS(ON)和体二极管的压降VF。这些不是单个数值,而是不同工作情况下的特征曲线。nowednc

需要注意的是寄生电容的参数随着VDS的变化而变化。VDS的特性表往往会在产品手册中提供,但需要一些推导计算。我们用下方程来计算模型数值,3个寄生参数分别以CISS,COSS和CRSS表示。nowednc

Cgd = CRSSnowednc

Cgs = CISS – CRSS nowednc

Cds = COSS – CRSSnowednc

图7表示本次项目中使用的仿真模型,容值的非线性曲线基于参数对照表。nowednc

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图7. Cgd的模型。Cgs和Cds的模型相同,但容值不同。nowednc

SIC MOSFET的RDS(ON)很大程度上取决于栅极电压VGS,其特性包含于“B_rds”的模型中。虽然VGS对RDSON的影响很大,但它也会一定程度上随瞬时ID和VDS变化,不过在本次仿真中,不考虑这个特性带来的影响。nowednc

体二极管的VF-电流特性可以简单地建立一个电压电流查找表来建模。流过二极管的电流和体二极管地压降VF有关。体二极管的VF特性也许并不是对所有的应用都有用,但在三相PFC中,体二极管在整流电路中是相当重要的,而且其VF-电流特性会显著地影响开关死区的设置,所以在整个系统中非常重要。二极管的反向恢复特性在本次仿真中不被考虑。nowednc

需要强调的是基本的SiC MOSFET模型不包括PIN脚产生的寄生电感和电阻。所以添加一个内置的电阻能够更好地再现开关特性(dV/dt),从而选择或优化栅极电阻。其次,为了准确再现工作期间的电压尖峰,强烈建议对寄生电感进行建模,但对系统级别的验证来说没有那么关键,而且我们可以在实际操作的时候通过调整栅极电阻来优化开关特性。nowednc

表一总结了仿真模型的内容以及每个部分仿真的输出。最终实际结果应当满足仿真结果,并且能解决我们预想的设计问题。nowednc

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表1. 仿真模型总结:仿真包含的部分以及在仿真模型中的体现nowednc

仿真结果

在完成了建立仿真模型这项费时费力的任务后,我们快进到有意思的部分----使用并评估结论。nowednc

为了解决我们的问题,基于图2总结的变量,我们进行了一系列的仿真。在以下内容中,我们将展示得到的结果、我们对这些结果的观察以及基于这些结果的设计决策。为了清晰起见,本章节末尾的表3总结了所有这些解释和说明。nowednc

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