用于 HEV 和 EV 牵引逆变器的隔离式辅助电源架构
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摘要
汽车行业正在从内燃机过渡到电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV)。EV 和 HEV 系统的关键部件之一是牵引逆变器。牵引逆变器从高压 (HV) 电池获取直流电，并向电机提供受控交流电。与电源开关和栅极驱动器一样，隔离式辅助电源是牵引逆变器电路中的主要组成部分。隔离式辅助电源的主要功能之一是为栅极驱动器提供所需的电源。隔离式辅助电源有多种可能的架构。这些架构还会影响拓扑和相关器件的选择。
1 引言
隔离式辅助电源为 HEV 和 EV 中的不同栅极驱动器电路供电。可以使用不同的拓扑来设计隔离式辅助电源。常用的拓扑包括反激式、推挽式、LLC 谐振和集成变压器模块。每种拓扑都具有特定的优势，但同时也存在各种权衡和挑战。拓扑的选择在很大程度上取决于隔离式辅助电源的整体架构。
隔离式辅助电源从低压 (LV) 电池或 HEV/EV 的高压电池获取电能。根据电源不同，隔离式辅助电源可分为两类：低压隔离式辅助电源和高压隔离式辅助电源。隔离式辅助电源电路可以直接连接到电池，也可以使用前置稳压器连接到电池。是否需要前置稳压器，取决于器件能否具有宽输入电压范围。尽管 LV 电池通常用作隔离式辅助电源的电源，但 LV 和 HV 电池通常都用于在系统中提供冗余。冗余电源可以使整个系统实现更高的功能安全性。图 1-1 显示了牵引逆变器方框图。
图 1-1 牵引逆变器方框图1.1 低压隔离式辅助电源
在 HEV 和 EV 中，低压隔离式辅助电源电路通常使用 12V 电池作为电源。尽管有些系统采用 48V LV 电池，但本文重点介绍 12V 电池系统。但是，这些架构仍然可以用于 48V LV 电池设计。在本例中，一种选择是使用转换器来降低电压，以便使用相同的器件，另一种选择是让器件支持专为 48V 电池设计的输入电压范围。
考虑到 12V LV 电池的荷电状态 (SOC)，隔离式辅助电源需要支持更宽的输入电压范围（例如：8V 至 16V）。在冷启动和负载突降情况下，输入电压范围要求分别进一步降低和提高。12V LV 电池的宽输入电压范围可能存在差异，具体取决于 OEM。并非所有类型的拓扑和相关器件都可以支持这种宽输入电压范围。因此，在一些设计中，需要在 LV 电池和隔离式辅助电源之间放置一个前置稳压器，以调节隔离式辅助电源器件的输入电压。
| 参数 | 开环 LLC | 推挽 | 初级侧稳压反激式 | 完全集成的模块 （全桥 + 变压器） |
|---|---|---|---|---|
| VIN 最小值和最大值 | 9V、34V | 3V、36V (1) | 4.5V、65V(1) | 4.5V、26.4V(1) |
| POUT 最大值 | 高达 9W | 高达 7.5W (1) | 高达 30W(1) | 高达 2.5W(1) |
| VOUT 稳压 | 非稳压 | 非稳压，VIN 受控 | 稳压 | 稳压 |
| 开关频率 | 0.1-1.2MHz | 0.1-2MHz | 20-350kHz | 11-15MHz |
| 隔离 | 视所用变压器而定 | 高达 5kV，基础型或增强型 | ||
| 支持器件 | UCC25800-Q1 | SN6501-Q1 SN6505-Q1 SN6507-Q1 | LM518x-Q1 LM2518x-Q1 LM515x-Q1 LM34xxx-Q1 | UCC1413x-Q1 UCC1414x-Q1 UCC1424x-Q1 UCC1434x-Q1 UCC1524x-Q1 |
1.2 高压隔离式辅助电源
高压隔离式辅助电源电路在 HEV 和 EV 中将 HV 电池用作电源。作为 HV 电池，400V 和 800V 电压电池在 HEV 和 EV 中最为常见。连接 HV 电池的隔离式辅助电源需要支持更宽的输入电压范围。宽输入电压范围支持的需求与 LV 电池类似：HV 电池的 SOC 和负载突降场景。根据电池的 SOC，需要支持更宽的输入电压范围。例如，400V 电池的常用电压范围为 240V 至 450V，800V 电池的常用电压范围为 550V 至 950V。但是，此电压范围可能会因 OEM 要求而异。
尽管 HV 电池可用作隔离式辅助电源的主要电源，但大多数情况下该电池用于提供冗余。从技术角度以及尽可能降低成本的角度来看，通常选择反激式拓扑来实现如此大和宽的输入电压范围。
| 器件 | UCC28C5x-Q1 | UCC28700-Q1 | UCC28730-Q1 | UCC28740-Q1 | UCC28781-Q1 |
|---|---|---|---|---|---|
| 开关类型 | 硬开关式 | 谷底开关 | 谷底开关 | 谷底开关 | 零电压开关 (ZVS) |
| 反馈 稳压(1) | 初级、次级（光耦合器） | 初级 | 初级 | 次级（光耦合器） | 次级（光耦合器） |
| 典型功率级别 | 20W–100W | 2W–50W | 2W–50W | 2W–50W | 50W–150W |
2 前置稳压器要求
隔离式辅助电源器件是否需要前置稳压器电路，取决于电路是否在宽输入电压范围内工作。以 12V LV 电池为例，输入电压范围在 8V 至 16V 之间（视 SOC 而定）时，用于辅助电源的器件必须在这整个电压范围内正常工作。否则，就需要一个前置稳压器。除了辅助电源器件能否具有宽输入电压范围外，线性调整率和负载调整率等其他因素也会影响对前置稳压器电路的需求。
节 2.1 介绍了包含前置稳压器使用的不同辅助电源架构。为了清晰起见，在节 3以后，方框图中不包括前置稳压器。由于在同一架构中可使用多种拓扑和多种相关器件，因此并不总是需要前置稳压器。
| LM5155x-Q1 控制器 | LM5156x-Q1 控制器 | LM5157x-Q1 转换器 | LM5158x-Q1 转换器 | |
|---|---|---|---|---|
| 输入电压范围 | 3.5V–45V | 3.5V–60V | 2.9V–45V | 3.2V–60V |
|
输出电流 | 1.5A 峰值标准 MOSFET 驱动器 | 1.5A 峰值标准 MOSFET 驱动器 | 最大 6.5A | 最大 3.2A |
2.1 采用低压电池时的前置稳压器
使用 12V LV 电池时，最常用作前置稳压器的转换器是单端初级电感器转换器 (SEPIC)、降压/升压转换器和反激式转换器。这些转换器适用于宽输入电压范围，并提供稳定的输出电压作为隔离式辅助电源器件的输入。这些前置稳压器的输出电压轨通常与栅极驱动器的隔离式辅助电源一起用于为系统的其他部分（如传感器、通信设备等）供电。
2.1.1 单前置稳压器架构
由于高侧和低侧辅助电源器件均只有一个前置稳压器，因此使用单前置稳压器是一种具有成本效益的选择。然而，如果前置稳压器电路中出现任何问题，使用单前置稳压器可能会导致单点故障。从功能安全角度来看，这并不总是合适的选择。
图 2-1 全分布式架构中的单前置稳压器2.1.2 多前置稳压器架构
在具有多个前置稳压器的架构中，将用于高侧和低侧辅助电源器件的前置稳压器分开。从功能安全的角度来看，这种架构可能更好。如果其中一个前置稳压器电路出现问题或故障，另一个前置稳压器电路仍可为低侧或高侧栅极驱动器供电。在所有低侧或所有高侧栅极驱动器继续受控制时，可实现安全状态。从电源角度来看，此类架构有助于在发生不利事件时实现车辆的安全状态。
图 2-2 全分布式架构中的两个前置稳压器