【導讀】隨著(zhù)雙碳目標的推進(jìn)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“OBC”)，正朝雙向能量傳輸的方向發(fā)展，其既能從電網(wǎng)獲取電能，又可將電能反饋至電網(wǎng)。配置了雙向OBC的電動(dòng)汽車(chē)，可用剩余電量為耗盡電量的電動(dòng)汽車(chē)充電，也可在戶(hù)外充當220 V電源，還可被當作分布式儲能站，幫助電網(wǎng)消峰填谷。本文將探討CLLC拓撲在雙向OBC應用中的設計挑戰和安森美(onsemi)的6.6 kW CLLC參考設計如何解決這些挑戰。
什么是CLLC拓撲
如圖1所示，隔離DCDC是構成雙向OBC的主要組成部分之一。在200 W以上隔離DCDC應用中，包括單向OBC，很多都會(huì )用到LLC拓撲，因為它具有能效高、EMI表現好、開(kāi)發(fā)難度低等優(yōu)勢，但這種拓撲只能用于單向能量傳輸。
圖1：雙向OBC框圖
大部分的雙向OBC中隔離DCDC級都會(huì )采用CLLC拓撲。CLLC拓撲(如圖2所示)是將LLC拓撲中電池側的橋式整流二極管換成有源橋，然后再在變壓器的電池端串上一個(gè)C來(lái)確保磁平衡。給電池充電的時(shí)候，左側的橋做主動(dòng)開(kāi)關(guān)，右側的橋做同步整流；當電池向外做逆變的時(shí)候，右側的橋做主動(dòng)開(kāi)關(guān)，左側的橋做同步整流。CLLC繼承了LLC拓撲的特點(diǎn)，采用脈沖頻率調節來(lái)控制增益，具有同樣的軟開(kāi)關(guān)特性，因此，能效高，EMI表現好，簡(jiǎn)單，但存在增益調整范圍窄、難以滿(mǎn)足寬廣的電池電壓變化范圍的挑戰。為此，安森美推出一個(gè)6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK，它采用寬母線(xiàn)電壓范圍來(lái)應對電池電壓變化，峰值能效超過(guò)98%，幫助設計人員解決挑戰，加快開(kāi)發(fā)。
圖2：CLLC拓撲
圖3：6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK的峰值能效超過(guò)98%
6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK
安森美的6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK包括三個(gè)主要部分，如圖4：中間那片大板是功率板，所有高壓大電流的線(xiàn)路都在這片板上。右上角是控制板，通過(guò)接插件和功率板相連，方便大家在不同的控制和功率方案之間做交叉測試。左側是諧振腔組合，包含了一個(gè)集成了諧振電感的變壓器和兩個(gè)諧振電容板。諧振電容由多顆MLCC經(jīng)串并聯(lián)組成，以在滿(mǎn)足耐壓和電流的要求下實(shí)現更小體積。諧振腔也是可拆卸的，方便設計人員驗證不同的變壓器、電感和電容參數。方案中包含了散熱器、風(fēng)扇、輔助電源、保護電路等等。連接電源和負載就可以在滿(mǎn)載下做長(cháng)時(shí)間測試。
圖4：6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK
功率板中，位于母線(xiàn)側和電池測的兩個(gè)有源橋分別由四顆1200 V/40毫歐NVHL040N120SC1和四顆900 V/20毫歐NVHL020N090SC1碳化硅(SiC) MOS構成。SiC可比Si實(shí)現更高的功率密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率和極高效的設計。驅動(dòng)這八顆SiC MOS的是八顆磁隔離大電流驅動(dòng)器。驅動(dòng)信號由控制板通過(guò)控制接口送出。
控制接口的所有信號都位于電池側，電平不超過(guò)12 V。電池端的電壓、電流通過(guò)采樣完通過(guò)分壓、放大后直接送到控制接口。母線(xiàn)側的電壓采樣由一顆獨立的ADC來(lái)完成，數據通過(guò)SPI總線(xiàn)再經(jīng)數字信號隔離器傳到控制接口。
控制板中，我們選用了一顆車(chē)規級的LLC控制芯片NCV4390，來(lái)做脈沖頻率調制 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PFM”) 和同步整流控制；用低功耗MCU，來(lái)做充電的恒壓值設定；用車(chē)規級軌到軌運放NCV33204來(lái)做恒流充電控制；再配上我們的車(chē)規級邏輯器件來(lái)做電網(wǎng)到電池和電池到電網(wǎng)方向的判斷和轉換。
電路細節的設計考量
如果想要節省成本，可以把1200 V和900 V SiC MOS換成900 V和650 V SiC MOS，但需要控制好開(kāi)關(guān)尖峰，最好從降低PCB寄生電感著(zhù)手，可以通過(guò)添加旁路電容實(shí)現。
高電壓低Rdson的SiC MOSFET，它的Qg很大，為了在高開(kāi)關(guān)頻率下維持高效，必須用大電流的門(mén)極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)。另外，我們方案的控制接口位于電池側，驅動(dòng)母線(xiàn)側的MOS必須要隔離，而且要符合安規。雖然驅動(dòng)電池側的MOS不需要安規，但是為了統一物料，我們還是選用相同的器件NCV57000，短路保護和故障報告功能是其亮點(diǎn)。
隔離門(mén)極驅動(dòng)的另一個(gè)不錯的選擇是NCV51561同樣帶安規隔離，驅動(dòng)電流更大，一推二，延時(shí)更短。雖然沒(méi)有過(guò)流保護，但它的雙高禁止功能也能保護到來(lái)自信號端的，由于干擾或誤操作而造成的炸機風(fēng)險。
選擇高壓輔助電源的最佳拓撲
該6.6 kW CLLC參考設計的輔助電源采用了“反激 + Buck-boost”的拓撲以應對高達750 V的母線(xiàn)電壓，如表1，相較其他3種拓撲，這種反激+Buck-boost拓撲在成本、能效、輸入電壓下限、可靠性、母線(xiàn)電容分壓平衡方面都更勝一籌。
表1：800 V 輸入電壓下可選的高壓輔助電源拓撲
選擇為高邊門(mén)極驅動(dòng)供電的最佳方案
輔助電源設計當中的另外一個(gè)挑戰，是多組且隔離的電源軌。該6.6 kW CLLC參考設計總共需要7組電源軌。
SiC驅動(dòng)需要負壓，且SiC MOS的Vcc容差范圍較窄，所以不宜采用自舉，否則會(huì )帶來(lái)穩壓、時(shí)序、功耗、噪聲等諸多問(wèn)題。而如果采用隔離DCDC，會(huì )存在PCB占位、成本和噪聲干擾等問(wèn)題。第3種方法是通過(guò)變壓器繞組來(lái)輸出所有電壓，這是這幾種方法里成本最低的一種，但缺點(diǎn)是工藝不好控制，易出錯，噪聲干擾大。我們的6.6 kW CLLC參考設計采用的脈沖變壓器擴展繞組解決了上述3種方法的所有問(wèn)題，更重要的是它大大縮短了動(dòng)點(diǎn)引線(xiàn)的長(cháng)度。
雙沿跟蹤自適應同步整流控制
前面提到，在控制板中采用LLC控制器NCV4390來(lái)做PFM環(huán)路和同步整流控制。NCV4390采用電流模式，環(huán)路響應快，不易震蕩，自帶雙沿跟蹤同步整流控制功能，在PFM模式和間歇工作模式之間插入了一段PWM工作模式，目的是改善輕載下的能效和電壓紋波，而且NCV4390的保護功能也非常強大。值得強調的是，這種雙沿跟蹤同步整流控制方法已獲市場(chǎng)驗證是非?？孔V的。
總結
電動(dòng)汽車(chē)OBC正朝向雙向能量傳輸的方向發(fā)展，以配合雙碳目標的推進(jìn)。隔離DCDC是構成雙向OBC的主要組成部分之一。大部分的雙向OBC中隔離DCDC級都會(huì )采用CLLC拓撲。安森美的6.6 kW CLLC參考設計SEC-6K6W-CLLC-GEVK，基于SiC MOS，峰值能效超過(guò)98%，還解決了CLLC拓撲在雙向OBC應用中的PCB占位、噪聲干擾、可靠性和成本等諸多設計挑戰，它采用硬件控制器來(lái)做PFM控制，幫助設計人員加快開(kāi)發(fā)。更多資料，包括物料單(BOM)、線(xiàn)路圖、Gerber文件和測試報告，請到這里獲取。
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