要使EV內部的電網(wǎng)與高壓電池之間的接口便利化，需要電磁干擾（EMI）濾波器，功率因數校正（PFC）和隔離的DC / DC功率級。圖2說(shuō)明了這種體系結構。

 

圖2此簡(jiǎn)化原理圖顯示了OBC如何用作電網(wǎng)和電池之間的接口。

 

討論的范圍僅限于DC / DC階段。在撰寫(xiě)本文時(shí)，DC / DC級的兩個(gè)流行選擇是電容器-電感器-電感器-電感器-電容器（CLLLC）和雙有源電橋（DAB）拓撲（圖3和圖4）。兩種選擇都可以實(shí)現較小的解決方案尺寸，并提供必要的G2V和V2G電源需求。

 

圖3該原理圖顯示了CLLLC的基本拓撲。

 

圖4該原理圖顯示了DAB拓撲。

 

最大化OBC性能并最小化其尺寸

 

要了解這兩個(gè)拓撲選項如何影響OBC的大小和性能，讓我們進(jìn)一步將范圍限制在電池充電階段（即G2V），考慮如何通過(guò)提供開(kāi)關(guān)的最大電池功率來(lái)最大程度地減少充電時(shí)間可以忍受。例如，請考慮以下操作條件下的開(kāi)關(guān)：

 

PDISS = 20W

ϑJA = 3°C / W

TA = 65°攝氏度

 

根據等式1，開(kāi)關(guān)的TJ = 125°C：

 

TJ = PDISS⋅ϑJA + TA（1）

 

此設計中的開(kāi)關(guān)不能承受超過(guò)125°C的溫度。因此，這種情況代表了OBC在不影響開(kāi)關(guān)的情況下可以提供給電池的最高功率水平。目的是最大程度地減少開(kāi)關(guān)中的功耗并盡快給電池充電。

 

驅動(dòng)開(kāi)關(guān)功率損耗的主要因素有兩個(gè)：均方根（RMS）電流和開(kāi)關(guān)保持零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）的能力。

 

德州儀器（TI）的GaN開(kāi)關(guān)具有低電容，快速導通和關(guān)斷的特性，因此該轉換器能夠以比硅更高的開(kāi)關(guān)頻率工作。更高頻率的操作直接影響電抗組件的尺寸，并導致變壓器，電感器和電容器更小。首先，為DAB和CLLLC建立基線(xiàn)設計，然后探索電路增強功能，以擴展轉換器的ZVS范圍。

 

基準DAB和CLLLC性能比較

 

表1概述了OBC的基本要求。

 

為DAB和CLLLC創(chuàng )建詳細的設計有助于確定最可行的設計。這樣做的過(guò)程超出了本討論的范圍。但是，電路仿真最適合于充分估算開(kāi)關(guān)中的損耗并驗證是否符合整體功能。將模擬器配置為在不同的功率水平以及輸入和輸出電壓下以批處理模式運行，并測試了不同的DAB和CLLLC電感器，電容器以及匝數比值。在每次模擬運行中，收集有關(guān)VIN，VOUT，開(kāi)關(guān)功率，RMS電流和開(kāi)關(guān)ZVS條件等參數的數據。表2總結了兩種優(yōu)化的拓撲設計。

 

DAB和CLLLC設計元素表

 

圖5說(shuō)明了顯著(zhù)的仿真結果。雖然每個(gè)拓撲中有八個(gè)開(kāi)關(guān)，但這些圖僅繪制了功率損耗最高的開(kāi)關(guān)。對于每個(gè)開(kāi)關(guān)，都有三個(gè)圖。首先是總損耗。第二個(gè)是通過(guò)該開(kāi)關(guān)的RMS電流。最右邊的第三張圖顯示了給定的GaN開(kāi)關(guān)導通時(shí)最壞情況的漏極-源極電壓。該電壓越高，該開(kāi)關(guān)的損耗就越大。因此，開(kāi)關(guān)的RMS電流及其保持ZVS的能力代表了設備功耗的最大部分。

 

圖5 仿真結果顯示RMS和ZVS基準CLLLC和DAB的條件。

 

有了這些事實(shí)并仔細檢查了數據，很明顯CLLLC能夠在更廣泛的操作范圍內維持ZVS。因此，增強型ZVS可以降低CLLLC開(kāi)關(guān)的功耗。話(huà)雖如此，DAB在6.6 kW的工作功率下具有出色的性能，這歸功于良好的ZVS和在大多數范圍內減小的RMS電流。這些觀(guān)察結果表明，正在尋找一種在不對RMS電流產(chǎn)生不利影響的情況下改善ZVS的方法。

 

用換向電感器改善ZVS

 

圖6和圖7顯示了與圖3和圖4相同的CLLLC和DAB電路，并在拓撲中添加了額外的電感器（以黃色突出顯示），以提供在較寬的工作范圍內維持ZVS所需的額外電流?，F在，考慮一種情況，這些額外的電感器一直都在工作。

 

圖6 示意圖顯示了帶有換向電感的CLLLC。

 

圖7 示意圖顯示了帶有換向電感的DAB。

 

表3列出了新電感的值，并為方便起見(jiàn)重復了其他參數。

 

表3具有換向電感器（LC）值的DAB和CLLLC設計

 

圖8顯示了重復圖5中的仿真后的結果。

 

圖8 每個(gè)電路的RMS和ZVS結果顯示了LC的影響。

 

在這種情況下，請注意，DAB能夠在整個(gè)工作條件范圍內實(shí)現完整的ZVS。 GaN開(kāi)關(guān)的VDS在接通時(shí)始終為0V的事實(shí)清楚地說(shuō)明了這一點(diǎn)。 CLLLC雖然未實(shí)現完整的ZVS，但能夠實(shí)現顯著(zhù)改進(jìn)的ZVS。但是，還請注意，ZVS的改進(jìn)以?xún)煞N拓撲結構的RMS電流為代價(jià)。僅從功率損耗來(lái)看，似乎DAB轉換器在大多數范圍內都具有優(yōu)勢。

 

請先將圖8與圖5進(jìn)行比較，您會(huì )注意到，在某些條件下，換向電感器實(shí)際上會(huì )使損耗更糟。這就引出了一個(gè)問(wèn)題——是否有可能創(chuàng )建一種混合方法，使您能夠同時(shí)實(shí)現圖5和圖8所示的最低損失？

 

最大程度地減少損失

 

換向電感器保持ZVS的更大范圍的工作條件。當轉換器無(wú)法維持ZVS時(shí)，這將帶來(lái)巨大的好處。換向電感器的問(wèn)題在于，只有在否則會(huì )丟失ZVS的情況下，它才能改善損耗。如果轉換器已經(jīng)在ZVS中，則換向電感器會(huì )增加電流，這會(huì )導致開(kāi)關(guān)中的更多損耗。

 

這種思考過(guò)程導致了對混合方法的探索，在這種方法中，換向電感器在較重的負載下保持關(guān)閉狀態(tài)，而在較輕的負載下接通。圖9顯示了使用這種方法重復進(jìn)行仿真之后的結果，這使設計能夠利用每種拓撲在重載下的較低RMS電流和自然ZVS能力。

 

我小心地僅增加了足夠的換向電感和工作時(shí)間，以適合開(kāi)關(guān)的熱范圍，以防止不必要的RMS電流流到開(kāi)關(guān)或不必要的解決方案尺寸。請注意，DAB轉換器在工作范圍內無(wú)法實(shí)現完整的ZVS。 ZVS條件已大大改善，但只需要保持在前面討論的20 W開(kāi)關(guān)目標之內即可。

 

圖9 使用混合方法的RMS和ZVS結果。

 

為了更好地可視化，圖10總結了每種情況下的功率損耗。您可以看到，DAB轉換器在開(kāi)關(guān)的功率損耗方面具有明顯的優(yōu)勢。

 

圖10每種情況下的功率損耗摘要有助于直觀(guān)地權衡取舍。

 

為了更好地說(shuō)明這兩個(gè)轉換器之間的性能，圖11重新格式化并繪制了圖10所示的數據。該圖顯示了每個(gè)轉換器可以提供的最大功率，假設開(kāi)關(guān)不能安全地耗散超過(guò)20 W的功率。請記住，20 W是開(kāi)關(guān)可以承受的最大損耗，并且仍將結溫保持在125°C以下。

 

圖11該圖顯示了每個(gè)轉換器可以提供的最大功率。

 

CLLLC或DAB更好嗎？

 

如圖11中的藍線(xiàn)高于紅色的事實(shí)所證明，與CLLLC相比，DAB轉換器可在整個(gè)范圍內提供更多的功率。這使人們很容易假設DAB是明顯的贏(yíng)家。但是，請記住最小的尺寸和重量這是OBC的核心要求。 DAB轉換器需要兩個(gè)額外的電感器，而CLLLC僅需要一個(gè)。 我認為，這使CLLLC獲勝。

 

像工程學(xué)中的大多數事物一樣，最好的選擇幾乎總是要權衡需求。 巨大的優(yōu)勢是免費提供的，這種情況很少見(jiàn)，在這種情況下也是如此。 對我而言，CLLLC似乎好于DAB，因為它似乎具有明顯的尺寸優(yōu)勢。

 

（來(lái)源：TI，作者：Brent McDonald是TI系統和應用經(jīng)理）