峰值能效超过98%!安森美用于双向车载充电的6.6 kW CLLC参考设计

最新更新时间:2022-09-27来源: EEWORLD关键字:安森美  车载充电 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

随着双碳目标的推进,电动汽车车载充电器(以下简称“OBC”),正朝双向能量传输的方向发展,其既能从电网获取电能,又可将电能反馈至电网。配置了双向OBC的电动汽车,可用剩余电量为耗尽电量的电动汽车充电,也可在户外充当220 V电源,还可被当作分布式储能站,帮助电网消峰填谷。本文将探讨CLLC拓扑在双向OBC应用中的设计挑战和安森美(onsemi)的6.6 kW CLLC参考设计如何解决这些挑战。


什么是CLLC拓扑


如图1所示,隔离DCDC是构成双向OBC的主要组成部分之一。在200 W以上隔离DCDC应用中,包括单向OBC,很多都会用到LLC拓扑,因为它具有能效高、EMI表现好、开发难度低等优势,但这种拓扑只能用于单向能量传输。

 

image.png

图1:双向OBC框图


大部分的双向OBC中隔离DCDC级都会采用CLLC拓扑。CLLC拓扑(如图2所示)是将LLC拓扑中电池侧的桥式整流二极管换成有源桥,然后再在变压器的电池端串上一个C来确保磁平衡。给电池充电的时候,左侧的桥做主动开关,右侧的桥做同步整流;当电池向外做逆变的时候,右侧的桥做主动开关,左侧的桥做同步整流。CLLC继承了LLC拓扑的特点,采用脉冲频率调节来控制增益,具有同样的软开关特性,因此,能效高,EMI表现好,简单,但存在增益调整范围窄、难以满足宽广的电池电压变化范围的挑战。为此,安森美推出一个6.6 kW CLLC参考设计SEC-6K6W-CLLC-GEVK,它采用宽母线电压范围来应对电池电压变化,峰值能效超过98%,帮助设计人员解决挑战,加快开发。

 

image.png

图2:CLLC拓扑

 image.png

图3:6.6 kW CLLC参考设计SEC-6K6W-CLLC-GEVK的峰值能效超过98%


6.6 kW CLLC参考设计SEC-6K6W-CLLC-GEVK


安森美的6.6 kW CLLC参考设计SEC-6K6W-CLLC-GEVK包括三个主要部分,如图4:中间那片大板是功率板,所有高压大电流的线路都在这片板上。右上角是控制板,通过接插件和功率板相连,方便大家在不同的控制和功率方案之间做交叉测试。左侧是谐振腔组合,包含了一个集成了谐振电感的变压器和两个谐振电容板。谐振电容由多颗MLCC经串并联组成,以在满足耐压和电流的要求下实现更小体积。谐振腔也是可拆卸的,方便设计人员验证不同的变压器、电感和电容参数。方案中包含了散热器、风扇、辅助电源、保护电路等等。连接电源和负载就可以在满载下做长时间测试。

 

image.png

图4:6.6 kW CLLC参考设计SEC-6K6W-CLLC-GEVK


功率板中,位于母线侧和电池测的两个有源桥分别由四颗1200 V/40毫欧NVHL040N120SC1和四颗900 V/20毫欧NVHL020N090SC1碳化硅(SiC) MOS构成。SiC可比Si实现更高的功率密度、更高的开关频率和极高效的设计。驱动这八颗SiC MOS的是八颗磁隔离大电流驱动器。驱动信号由控制板通过控制接口送出。


控制接口的所有信号都位于电池侧,电平不超过12 V。电池端的电压、电流通过采样完通过分压、放大后直接送到控制接口。母线侧的电压采样由一颗独立的ADC来完成,数据通过SPI总线再经数字信号隔离器传到控制接口。


控制板中,我们选用了一颗车规级的LLC控制芯片NCV4390,来做脉冲频率调制 (以下简称“PFM”) 和同步整流控制;用低功耗MCU,来做充电的恒压值设定;用车规级轨到轨运放NCV33204来做恒流充电控制;再配上我们的车规级逻辑器件来做电网到电池和电池到电网方向的判断和转换。


电路细节的设计考量


如果想要节省成本,可以把1200 V和900 V SiC MOS换成900 V和650 V SiC MOS,但需要控制好开关尖峰,最好从降低PCB寄生电感着手,可以通过添加旁路电容实现。


高电压低Rdson的SiC MOSFET,它的Qg很大,为了在高开关频率下维持高效,必须用大电流的门极驱动器来驱动。另外,我们方案的控制接口位于电池侧,驱动母线侧的MOS必须要隔离,而且要符合安规。虽然驱动电池侧的MOS不需要安规,但是为了统一物料,我们还是选用相同的器件NCV57000,短路保护和故障报告功能是其亮点。


隔离门极驱动的另一个不错的选择是NCV51561同样带安规隔离,驱动电流更大,一推二,延时更短。虽然没有过流保护,但它的双高禁止功能也能保护到来自信号端的,由于干扰或误操作而造成的炸机风险。


选择高压辅助电源的最佳拓扑


该6.6 kW CLLC参考设计的辅助电源采用了“反激 + Buck-boost”的拓扑以应对高达750 V的母线电压,如表1,相较其他3种拓扑,这种反激+Buck-boost拓扑在成本、能效、输入电压下限、可靠性、母线电容分压平衡方面都更胜一筹。

 

image.png

表1:800 V 输入电压下可选的高压辅助电源拓扑


选择为高边门极驱动供电的最佳方案


辅助电源设计当中的另外一个挑战,是多组且隔离的电源轨。该6.6 kW CLLC参考设计总共需要7组电源轨。


SiC驱动需要负压,且SiC MOS的Vcc容差范围较窄,所以不宜采用自举,否则会带来稳压、时序、功耗、噪声等诸多问题。而如果采用隔离DCDC,会存在PCB占位、成本和噪声干扰等问题。第3种方法是通过变压器绕组来输出所有电压,这是这几种方法里成本最低的一种,但缺点是工艺不好控制,易出错,噪声干扰大。我们的6.6 kW CLLC参考设计采用的脉冲变压器扩展绕组解决了上述3种方法的所有问题,更重要的是它大大缩短了动点引线的长度。


双沿跟踪自适应同步整流控制


前面提到,在控制板中采用LLC控制器NCV4390来做PFM环路和同步整流控制。NCV4390采用电流模式,环路响应快,不易震荡,自带双沿跟踪同步整流控制功能,在PFM模式和间歇工作模式之间插入了一段PWM工作模式,目的是改善轻载下的能效和电压纹波,而且NCV4390的保护功能也非常强大。值得强调的是,这种双沿跟踪同步整流控制方法已获市场验证是非常靠谱的。


总结


电动汽车OBC正朝向双向能量传输的方向发展,以配合双碳目标的推进。隔离DCDC是构成双向OBC的主要组成部分之一。大部分的双向OBC中隔离DCDC级都会采用CLLC拓扑。安森美的6.6 kW CLLC参考设计SEC-6K6W-CLLC-GEVK,基于SiC MOS,峰值能效超过98%,还解决了CLLC拓扑在双向OBC应用中的PCB占位、噪声干扰、可靠性和成本等诸多设计挑战,它采用硬件控制器来做PFM控制,帮助设计人员加快开发。更多资料,包括物料单(BOM)、线路图、Gerber文件和测试报告


关键字:安森美  车载充电 编辑:张工 引用地址:峰值能效超过98%!安森美用于双向车载充电的6.6 kW CLLC参考设计

上一篇:CS5918 开关型2A单节4.2V锂电充电管理IC方案
下一篇:面向移动机器人的无线充电技术实现工业4.0

推荐阅读

安森美电感式位置感测新方法加快上市时间
NCS32100 旋转位置传感器旨在克服电感式感测的限制而设计,为工业应用带来高转速下的高精度支持2022年11月18日—领先于智能电源和智能感知技术的安森美(onsemi),推出了一款创新的双电感旋转位置传感器NCS32100,其提供的高转速与高精度令人信服。NCS32100 使用新的专利方法进行电感式位置感测,使其成为部署了快速移动机器人和工业机器人应用的理想选择。虽然电感式编码器的特性使其在工业应用非常有吸引力,但历来用例仅限于低转速和不需要高精度的应用。安森美利用其 20 多年设计电感式传感器的专业经验,将电感式编码器的可靠优势与中高端光学编码器通常具有的高精度与高转速相结合。使NCS32100 (38 毫米传感器)在 6,
发表于 2022-11-18
<font color='red'>安森美</font>电感式位置感测新方法加快上市时间
安森美推出采用创新Top Cool封装的MOSFET
顶部冷却简化设计并降低成本,实现小巧紧凑的电源方案2022年11月17日—领先于智能电源和智能感知技术的安森美(onsemi),宣布推出新系列MOSFET器件,采用创新的顶部冷却,帮助设计人员解决具挑战的汽车应用,特别是电机控制和DC-DC转换。新的Top Cool器件采用TCPAK57封装,尺寸仅5mm x 7mm,在顶部有一个16.5 mm2的热焊盘,可以将热量直接散发到散热器上,而不是通过传统的印刷电路板(以下简称“PCB”)散热。采用TCPAK57封装能充分使用PCB的两面,减少PCB发热,从而提高功率密度。新设计的可靠性更高从而增加整个系统的使用寿命。安森美副总裁兼汽车电源方案总经理Fabio Necco说:“冷却是高功率
发表于 2022-11-17
<font color='red'>安森美</font>推出采用创新Top Cool封装的MOSFET
安森美的碳化硅技术赋能纯电动汽车VISION EQXX单次充电续航更远
安森美与梅赛德斯-奔驰战略合作的一部分,是为这家汽车制造商提供高能效碳化硅(SiC)功率模块,以增加其VISION EQXX的续航里程2022年11月16日—领先于智能电源和智能感知技术的安森美(onsemi,美国纳斯达克股票代号:ON),宣布梅赛德斯-奔驰在其主驱逆变器中采用安森美的碳化硅(以下简称“SiC”)技术,这是两家公司战略合作的一部分。安森美的VE-Trac SiC模块提高了梅赛德斯-奔驰纯电动汽车VISION EQXX主驱逆变器的能效并减轻了其重量,使电动汽车的续航里程增加10%。这款电动汽车完成了从德国斯图加特到英国银石的1,202公里(747英里)旅程,保持了单次充电后最远的行驶距离记录。VISION EQXX在电
发表于 2022-11-16
<font color='red'>安森美</font>的碳化硅技术赋能纯电动汽车VISION EQXX单次充电续航更远
安森美的安全蓝牙低功耗5.2微控制器RSL15获创新产品奖
安森美的安全蓝牙低功耗5.2微控制器RSL15获创新产品奖该奖项认可RSL15以创新的智能感知功能增强安全性和处理能力中国深圳-2022年11月15日-领先于智能电源和智能感知技术的安森美(onsemi,)宣布其支持蓝牙®低功耗(以下简称“BLE”)无线联接的安全RSL15无线微控制器(MCU)凭借先进的系统级安全功能和领先的高能效获“物联之星——最佳创新产品奖”。物联之星年度评选已经举办了14年,旨在促进物联网产业发展,同时表彰领先企业和卓越的产品创新。该奖项由数百名业内人士,从芯片制造商、传感器公司、无线通信企业到集成商、运营商和终端用户,根据技术创新、高市场应用价值和市场空间进行评判。RSL15具有业界最低的功耗,在EEMBC
发表于 2022-11-15
安森美CEO:公司持续两年的转型已成功
2022年11月1日,安森美公布了其2022年第3季度业绩,在全球半导体市场一片预冷的当下,安森美再一次打破了数项公司运营记录,其中包括破纪录收入21.926亿美元,同比增长26%,破纪录non-GAAP运营利润率34.5%,同比增长约1,100基点,破纪录non-GAAP摊薄后每股收益至1.45美元,以及过去12个月(LTM)自由现金流利润率破纪录的21%。这一系列的事实证明,安森美在CEO Hassane El-Khoury的带领下,实现了成功转型。Hassane于2020年加入安森美,并执行了一系列的公司转型策略,在他的带领下,安森美制定了新的战略方向,即智能电源和智能感知,并将公司名称从安森美半导体变为安森美。一个典型例子是
发表于 2022-11-14
<font color='red'>安森美</font>CEO:公司持续两年的转型已成功
安森美将在2022年德国慕尼黑电子展(Electronica)展示多种创新技术
安森美将在2022年德国慕尼黑电子展(Electronica)展示多种创新技术Top-Cool MOSFET、新型旋转位置传感器和采用安森美碳化硅(SiC)器件的梅赛德斯-奔驰VISION EQXX,彰显安森美在智能电源和智能感知方面的实力慕尼黑 - 2022年11月11日 – 领先于智能电源和智能感知技术的安森美(onsemi)将在德国慕尼黑电子展(以下简称“electronica”)展示并演示其最新创新。Electronica是全球领先的电子展,观众莅临安森美在C4馆的101号展位,将看到涵盖汽车、工业和云电源市场的尖端前沿演示,包括电动汽车、先进安全、工厂自动化、能源基础设施和电动汽车充电等方面的应用,其中许多应用都是基于碳化
发表于 2022-11-11
小广播
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2022 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved