ZHCU677C June   2019  – July 2022

 

  1.   说明
  2.   资源
  3.   特性
  4.   应用
  5.   5
  6. 1系统说明
    1. 1.1 关键系统规格
  7. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 重点产品
      1. 2.2.1  UCC21530
      2. 2.2.2  AMC1311
      3. 2.2.3  AMC3302
      4. 2.2.4  AMC3306M05
      5. 2.2.5  LM76003
      6. 2.2.6  LMZ31707
      7. 2.2.7  OPA320
      8. 2.2.8  ISO7721
      9. 2.2.9  SN6501
      10. 2.2.10 SN6505B
      11. 2.2.11 TMP235
      12. 2.2.12 LMT87
      13. 2.2.13 TL431
      14. 2.2.14 LMV762
      15. 2.2.15 TMS320F280049 C2000 MCU
      16. 2.2.16 TMDSCNCD280049C
    3. 2.3 系统设计原理
      1. 2.3.1 具有电源系统的双有源电桥模拟
      2. 2.3.2 双有源电桥 - 开关序列
      3. 2.3.3 双有源电桥 - 零电压开关 (ZVS)
      4. 2.3.4 双有源电桥 - 设计注意事项
        1. 2.3.4.1 漏电感器
        2. 2.3.4.2 电感对电流的影响
        3. 2.3.4.3 移相
        4. 2.3.4.4 电容器选型
        5. 2.3.4.5 软开关范围
        6. 2.3.4.6 开关频率
        7. 2.3.4.7 变压器选型
        8. 2.3.4.8 SiC MOSFET 选型
      5. 2.3.5 损耗分析
        1. 2.3.5.1 设计方程式
        2. 2.3.5.2 SiC MOSFET 和二极管损耗
        3. 2.3.5.3 变压器损耗
        4. 2.3.5.4 电感器损耗
        5. 2.3.5.5 栅极驱动器损耗
        6. 2.3.5.6 效率
        7. 2.3.5.7 散热注意事项
  8. 3电路说明
    1. 3.1 功率级
    2. 3.2 直流电压检测
      1. 3.2.1 初级侧直流电压检测
      2. 3.2.2 次级侧直流电压检测
    3. 3.3 电流检测
    4. 3.4 功率结构
      1. 3.4.1 辅助电源
      2. 3.4.2 检测电路的隔离式电源
    5. 3.5 栅极驱动器
      1. 3.5.1 栅极驱动器电路
      2. 3.5.2 栅极驱动器偏置电源
      3. 3.5.3 栅极驱动器分立式电路 - 短路检测和两级关断
  9. 4硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 4.1 所需的硬件和软件
      1. 4.1.1 硬件
      2. 4.1.2 软件
        1. 4.1.2.1 软件入门
        2. 4.1.2.2 引脚配置
        3. 4.1.2.3 PWM 配置
        4. 4.1.2.4 高分辨率相移配置
        5. 4.1.2.5 ADC 配置
        6. 4.1.2.6 ISR 结构
    2. 4.2 测试设置
    3. 4.3 PowerSUITE GUI
    4. 4.4 实验
      1. 4.4.1 实验 1
      2. 4.4.2 实验 2
      3. 4.4.3 实验 3
      4. 4.4.4 实验 4
      5. 4.4.5 实验 5
    5. 4.5 测试结果
      1. 4.5.1 开环性能
      2. 4.5.2 闭环性能
  10. 5设计文件
    1. 5.1 原理图
    2. 5.2 物料清单
    3. 5.3 PCB 布局建议
      1. 5.3.1 布局图
    4. 5.4 Altium 项目
    5. 5.5 Gerber 文件
    6. 5.6 装配图
  11. 6相关文档
    1. 6.1 商标
  12. 7术语
  13. 8作者简介
  14. 9修订历史记录

1 系统说明

由联合充电系统和 CHAdeMO® 管理的电动汽车充电标准不断变更，并推动实现更快的电池充电速度，通常要求在充电站充电 30 分钟即可使电动汽车充满电。直流充电站通常属于 3 级充电器，可满足 120kW 至 240kW 之间的极高功率水平要求。这些直流充电站都是独立的单元，包含交流/直流和直流/直流功率转换级。充电站内堆叠了许多功率转换模块以提高功率水平，并实现快速充电。直流快速充电站不需要任何板载交流/直流转换器，就能为电动汽车的电池提供高功率的直流电流，这意味着电流直接连接到电池上。如今路上行驶的电动汽车大多数只能处理最高 50kW 的功率。而更新款的电动汽车将能够以更高的功率充电。随着电动汽车的续航能力越来越强、电池也越来越大，人们正在开发直流充电解决方案，以便通过高达 250kW 或以上的快速充电站为支持远距离电动汽车电池。

充电站中的 DC/DC 转换器必须能够在其输入端接入三相 Vienna 整流器的整流总线电压 (700V-800V)，并在输出端与电动汽车的电池连接，从而提供额定功率。 DC/DC 转换器在许多终端设备中都有重要应用，图 1-1 显示了其在充电站、太阳能光伏系统、储能系统和电动汽车牵引应用中的用例。

GUID-CF2DA2A4-EB24-4750-A9E2-B9D64A7B1C01-low.gif图 1-1 DC/DC 转换器的作用

DC/DC 转换器必须能够处理大功率水平。除此之外，转换器必须模块化，使单个功率级转换器单元并联，从而将输出功率吞吐量按直流充电站标准的要求提高到更高水平。充电站的当前发展趋势是转向能够处理双向功率流的转换器。车联网 (V2G) 等新措施涉及电动汽车的电池与交流电网之间的功率传输。双向 DC/DC 转换器能够在正向工作模式下对电池进行充电，并在反向工作模式下则可以将功率输送回电网，这可用于在峰值负载期间使电网保持稳定。

功率密度和系统效率是直流充电站中转换器的两个重要要求。在高开关频率下工作可以减小磁性元件的尺寸。通过改用更高的总线电压，方便快速充电，可以在相同的电流水平下传输更多的功率。这有助于减小铜面积，从而提高转换器的功率密度。转换器还必须是高效的，因为这样可以显著节省成本并减小散热解决方案尺寸。散热解决方案尺寸减小，可直接使散热器小巧紧凑，而这反过来，又增加了转换器的功率密度。转换器还必须能够实现 ZVS（零电压开关）和 ZCS（零电流开关）等固有软开关，而不必添加任何可能影响功率密度的大型无源器件。

DC/DC 转换器必须能够与锂离子电池或铅酸电池无缝连接，这两种电池广泛应用于电动汽车充电站中。DC/DC 转换器还必须能够在高压侧与低压侧之间实现所需的电压转换，并在其间提供电隔离。

传统的开关器件在高电压开关速度方面存在限制，换言之，是器件的 dV/dt 能力有限。这种缓慢的上升过程增加了开关损耗，因为器件在开关切换中花费的时间更多。这种开关时间增加，也会使控制系统中防止击穿和短路所需的死区时间增加。已在较新的开关半导体技术中开发了对此的解决方案（例如具有高电子迁移率的 SiC 和 GaN 器件）。本参考设计使用 SiC MOSFET 与 TI 的 SiC 栅极驱动器技术，以展示其在效率和功率密度方面的潜在优势。

本文讨论分析了以下四种常见的拓扑：

  • LLC 谐振转换器
  • 相移全桥
  • 单相双有源电桥
  • CLLC 模式中的双有源电桥

根据该研究，本参考设计选择了双有源电桥，因为相对于其他同类拓扑，其易于进行双向操作，并具有模块化结构、有竞争力的效率，以及出色的功率密度。本参考设计的重点是克服主在为电动汽车充电站设计高功率、双有源电桥 DC/DC 转换器时遇到的挑战。