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25kW SiC直流快充设计指南 (第七部分):800V EV充电系统的辅助电源

2022-06-01 09:56:59 安森美(onsemi) 阅读:
本篇将介绍25kW快充系统中的辅助电源设计。它基于onsemi针对800V母线电压的EV应用所做的一个辅助电源参考设计方案,即SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB,它能提供15V/40W的持续输出供电。类似的方案还有SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB,它能提供15V/15W的持续输出。

在本系列的前几篇文章中[1-6],我们介绍了基于onsemi的SiC功率模块和其他功率器件开发的25kW EV快充系统,包括这个可扩展系统的整体架构和规格,以及其中PFC和DC-DC变换部分的硬件设计和控制策略。我们基本已经把电路设计部分讲完了,除了辅助电源设计的相关内容。iyCednc

辅助电源一般由直流母线供电,用于支持各种控制器、驱动、通信器件、传感器等工作电压。根据车厂对电池的选择,额定电压通常是400V或800V。虽然400V电池仍然占领目前的EV市场,但更高电压的电池将成为未来的趋势。iyCednc

现在,用800V电池替换400V电池,这对系统效率的提高是非常有帮助的。更大的母线电压意味着PFC电路的电流更小,从而可以使用更低电流规格要求的SiC MOSFET,有助于通过提高功率密度和减少系统尺寸来提高整体效率。iyCednc

除此之外,800V电池也有自己的优势,比如高压低电流的快充。举个例子,一般充满一个60kWh容量的电池,400V/150A的功率下充满需要1小时,而800V/100A的条件下只需要45分钟。降低工作电流能够减小电感尺寸(更细的线径)并解决散热问题,所以我们说800V方案是EV充电站的大趋势。iyCednc

考虑到这些,25kW快充系统设计中的辅助电源是直接连接在800V母线上的,这种情况下,在系统启动时,辅助电源系统将工作在240V-900V区间。由于PFC电路是交流400V输入,母线电容通过SiC MOSFET的体二极管进行充电,所以实际母线电压会达到约560V。当母线电压达到240V时,辅助电源系统就会开始工作。iyCednc

本篇将介绍25kW快充系统中的辅助电源设计。它基于onsemi针对800V母线电压的EV应用所做的一个辅助电源参考设计方案,即SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB,它能提供15V/40W的持续输出供电。类似的方案还有SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB,它能提供15V/15W的持续输出。iyCednc

辅助电源的设计

onsemi目前推出过的2套高压辅助电源方案,适用于800V和400V电池的BEV(纯电电动车)和PHEV(插混电动车),能提供15W或40W的输出功率。尽管这2套方是针对汽车应用的,但它们也能满足具有类似高压直流母线的应用,比如直流快充。这种情况下,我们可以使用非车规器件,从而减少BOM成本。iyCednc

(40W输出)和SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB(15W输出)是适用于800V和400V车载电池的高效高压辅助电源方案。它们拥有足够宽的工作电压范围240V-900V,可以工作在400V和800V系统,同时稳定提供一个15V/15W或15V/40W的输出。图1可以看到SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在25kW快充系统里的位置。iyCednc

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图1. 25kW直流快充系统框图iyCednc

辅助电源系统基于反激式(Flyback)拓扑,使用一颗原边反馈(Primary Side Regulated)准谐振(Quasi-Resonant)反激式控制器。原边反馈控制器的一个最大优点是它不需要光耦,这大大提高了电源的可靠性。iyCednc

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图2. 辅助电源框图iyCednc

方案主要包括QR反激控制器NCP1632、1200V, 160mΩ, TO247-3L的SiC MOSFET NTHL160N120SC1和SiC二极管FFSPF1065A。NTHL160N120SC1的栅极电容仅有34nC,有利于减少电压突变和开关损耗,也有利于提高反激电路和辅助电源的整体效率。iyCednc

NCP1362用于提供驱动SiC MOSFET的12V栅极电压,无需额外的预驱,简化了整体电源设计。NCP1362的驱动电压是0V-12V,足以开启SiC MOSFET,没有必要达到MOSFET的最大Vgs值。一颗5kW, 160V的TVS二极管用于为NTHL160N120SC1提供钳位保护。不使用驱动器带来了许多好处,比如:iyCednc

  • 减少器件成本
  • 简化BOM(驱动器和相关被动器件)
  • 更少器件和更少寄生效应带来的更高的稳定性
  • 更高效率
  • 简化Layout

直流充电模块的设计遵循IEC61851-1标准,反激变压器也符合IEC61558-1标准,其中对1000V的工作电压时的耐压要求是2.75kVrms,而我们设计中的反激变压器具有4kV的耐压水平,并且为了减少RCD吸收电路的损耗进行了优化。RCD电路有助于限制高压条件下的过压、电压突变振荡,并且能为SiC MOSFET提供一个100V的电压裕度。iyCednc

图3显示了负载功率在10%-100%下的瞬态响应,图4则体现了500V DC输入下负载在100%-10%的瞬态波形。可以看到在电压转换时没有发现任何振荡,这体现了其高度稳定性。iyCednc

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310%-100%功率下的负载瞬态波形@500ViyCednc

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4. 100%-10%功率下的负载瞬态波形@500ViyCednc

具有高输出功率,它被用在25kW直流充电系统的3个部分。第一个是在PFC部分用于为SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB供电,它作为驱动SiC 功率模块的栅极驱动器的隔离电源,提供稳定的电压(-5V和20V),如图5,用于在宽输入电压范围内的高效开断。iyCednc

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图5. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在PFC中的使用iyCednc

从图1我们可以看到 剩下两个辅助电源系统被用于25kW系统的DC-DC部分,一个连接至直流母线,另一个连接到变压器副边输出端如图6。我们没有在设计中采用高压机械开关或继电器,而是通过通用控制板(SECO-TE0716-GEVB)根据当前DC-DC工作方向来决定使用哪个辅助电源模块。iyCednc

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图6. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在双向DC-DC中的使用iyCednc

结论

800V电池和其电路系统是非常理想的,因为它们能提高系统效率并且减少电池充电时间。不过,尽管800V的母线电压能够降低回路电流,但设计一套高效的、适合800V系统的辅助电源仍然充满挑战。本篇文章简单介绍了25kW直流快充系统的辅助电源方案,它们直接连接在800V母线并为快充系统中的低压器件供电。iyCednc

参考资料 

1. “25kW SiC直流快充设计指南(第一部分): 有关电动车应用” by Karol Rendek and Stefan Kosterec,iyCednc

2. “25kW SiC直流快充设计指南(第二部分):方案总览” by Karol Rendek and Stefan KostereciyCednc

3. “25kW SiC直流快充设计指南(第三部分):PFC仿真” by Karol Rendek and Stefan KostereciyCednc

4. “25kW SiC直流快充设计指南(第四部分):DC-DC 级的设计考虑因素和仿真” by Karol Rendek and Stefan KostereciyCednc

5. “25kW SiC直流快充设计指南(第五部分):控制算法、调制方案和反馈” by Karol Rendek and Stefan KostereciyCednc

6. “25kW SiC直流快充设计指南(第六部分):用于电源模块的栅极驱动系统” by Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和 Will AbdehiyCednc

7. SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB iyCednc

8. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB iyCednc

9. SECO−LVDCDC3064−SIC−GEVB iyCednc

(作者:安森美Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和 Will Abdeh)iyCednc

责编:Franklin
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