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  • 采用 GaN 的 7.4kW 电动汽车/混合动力电动汽车双向车载充电器参考设计

    • ZHCUBR5A October   2022  – February 2024

       

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  • 采用 GaN 的 7.4kW 电动汽车/混合动力电动汽车双向车载充电器参考设计
  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1 CLLLC 系统说明
    1. 1.1 主要系统规格
  8. 2 CLLLC 系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 设计注意事项和系统设计原理
      1. 2.2.1 谐振回路设计
        1. 2.2.1.1 电压增益
        2. 2.2.1.2 变压器增益比设计 (NCLLLC)
        3. 2.2.1.3 磁化电感选择 (Lm)
        4. 2.2.1.4 谐振电感器和电容器选择（Lrp 和 Crp）
      2. 2.2.2 电流和电压检测
        1. 2.2.2.1 VPRIM 电压检测
        2. 2.2.2.2 VSEC 电压检测
        3. 2.2.2.3 ISEC 电流检测
        4. 2.2.2.4 ISEC 谐振回路和 IPRIM 谐振回路
        5. 2.2.2.5 IPRIM 电流检测
        6. 2.2.2.6 保护（CMPSS 和 X-Bar）
      3. 2.2.3 PWM 调制
  9. 3 图腾柱 PFC 系统说明
    1. 3.1 图腾柱无桥 PFC 的优势
    2. 3.2 图腾柱无桥 PFC 运行
    3. 3.3 主要系统规格
    4. 3.4 系统概述
      1. 3.4.1 方框图
    5. 3.5 系统设计原理
      1. 3.5.1 PWM
      2. 3.5.2 电流环路模型
      3. 3.5.3 直流母线调节环路
      4. 3.5.4 过零附近的软启动可消除或减少电流尖峰
      5. 3.5.5 电流计算
      6. 3.5.6 电感器计算
      7. 3.5.7 输出电容器计算
      8. 3.5.8 电流和电压感应
  10. 4 重点产品
    1. 4.1 C2000 MCU TMS320F28003x
    2. 4.2 LMG352xR30-Q1
    3. 4.3 UCC21222-Q1
    4. 4.4 AMC3330-Q1
    5. 4.5 AMC3302-Q1
  11. 5 硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 5.1 所需的硬件和软件
      1. 5.1.1 硬件设置
        1. 5.1.1.1 控制卡设置
      2. 5.1.2 软件
        1. 5.1.2.1 在 Code Composer Studio 中打开工程
        2. 5.1.2.2 工程结构
    2. 5.2 测试和结果
      1. 5.2.1 测试设置（初始）
      2. 5.2.2 CLLLC 测试程序
        1. 5.2.2.1 实验 1.初级到次级功率流，开环检查 PWM 驱动器
        2. 5.2.2.2 实验 2.初级到次级功率流，开环检查 PWM 驱动器和 ADC，具有保护功能，次级连接阻性负载
          1. 5.2.2.2.1 设置实验 2 的软件选项
          2. 5.2.2.2.2 生成和加载工程以及设置调试环境
          3. 5.2.2.2.3 使用实时仿真
          4. 5.2.2.2.4 运行代码
          5. 5.2.2.2.5 测量电压环路的 SFRA 装置
          6. 5.2.2.2.6 验证有源同步整流
          7. 5.2.2.2.7 测量电流环路的 SFRA 装置
        3. 5.2.2.3 实验 3.初级到次级功率流，闭合电压环路检查，次级连接阻性负载
          1. 5.2.2.3.1 设置实验 3 的软件选项
          2. 5.2.2.3.2 生成和加载工程以及设置调试环境
          3. 5.2.2.3.3 运行代码
          4. 5.2.2.3.4 测量闭合电压环路的 SFRA
        4. 5.2.2.4 实验 4.初级到次级功率流，闭合电流环路检查，次级连接阻性负载
          1. 5.2.2.4.1 设置实验 4 的软件选项
          2. 5.2.2.4.2 生成和加载项目以及设置调试
          3. 5.2.2.4.3 运行代码
          4. 5.2.2.4.4 测量闭合电流环路的 SFRA
        5. 5.2.2.5 实验 5.初级到次级功率流，闭合电流环路检查，次级连接与电压源并联的阻性负载，以模拟次级侧的电池连接
          1. 5.2.2.5.1 设置实验 5 的软件选项
          2. 5.2.2.5.2 设计电流环路补偿器
          3. 5.2.2.5.3 生成和加载项目以及设置调试
          4. 5.2.2.5.4 运行代码
          5. 5.2.2.5.5 在电池仿真模式下测量闭合电流环路的 SFRA
      3. 5.2.3 TTPLPFC 测试程序
        1. 5.2.3.1 实验 1：开环，直流
          1. 5.2.3.1.1 设置 BUILD 1 的软件选项
          2. 5.2.3.1.2 构建和加载工程
          3. 5.2.3.1.3 设置调试环境窗口
          4. 5.2.3.1.4 使用实时仿真
          5. 5.2.3.1.5 运行代码
        2. 5.2.3.2 实验 2：闭合电流环路，直流
          1. 5.2.3.2.1 设置 BUILD 2 的软件选项
          2. 5.2.3.2.2 设计电流环路补偿器
          3. 5.2.3.2.3 构建和加载工程以及设置调试
          4. 5.2.3.2.4 运行代码
        3. 5.2.3.3 实验 3：闭合电流环路，交流
          1. 5.2.3.3.1 设置实验 3 的软件选项
          2. 5.2.3.3.2 构建和加载工程以及设置调试
          3. 5.2.3.3.3 运行代码
        4. 5.2.3.4 实验 4：闭合电压和电流环路
          1. 5.2.3.4.1 设置 BUILD 4 的软件选项
          2. 5.2.3.4.2 构建和加载工程以及设置调试
          3. 5.2.3.4.3 运行代码
      4. 5.2.4 测试结果
        1. 5.2.4.1 效率
        2. 5.2.4.2 系统性能
        3. 5.2.4.3 波特图
        4. 5.2.4.4 效率和调节数据
        5. 5.2.4.5 散热数据
        6. 5.2.4.6 PFC 波形
        7. 5.2.4.7 CLLLC 波形
  12. 6 设计文件
    1. 6.1 原理图
    2. 6.2 物料清单
    3. 6.3 Altium 工程
    4. 6.4 Gerber 文件
  13. 7 软件文件
  14. 8 相关文档
    1. 8.1 商标
  15. 9 术语
  16. 10作者简介
  17. 11修订历史记录
  18. 重要声明
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Design Guide

采用 GaN 的 7.4kW 电动汽车/混合动力电动汽车双向车载充电器参考设计

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说明

PMP22650 参考设计是一款 7.4kW 的双向车载充电器。该设计采用两相图腾柱 PFC 和带有有源同步整流功能的全桥 CLLLC 转换器。CLLLC 使用频率和相位调制在宽电压范围内调节输出。该设计使用单个 TMS320F280039C 微控制器来控制 PFC 和直流/直流级。TMS320F28P65x 微控制器也支持该设计。通过使用高速 GaN 开关 (LMG3522-Q1) 实现了高密度。峰值系统效率为 96.5%，该数值在 3.8kW/L 开放式框架功率密度下实现。

该设计演示了如何在闭合电压和闭合电流环路模式中使用单个 C2000™ MCU 控制此电源拓扑。采用此设计的硬件和软件可帮助您缩短产品上市时间。

资源

TIDM-02013、PMP22650 设计文件夹
TMS320F280039C、TMS320F28P650DK 产品文件夹
AMC3330-Q1、AMC3302-Q1、UCC21222-Q1 产品文件夹
C2000WARE-DIGITAL-POWERSDK 软件文件夹
TMDSCNCD280039C、TMDSCNCD28P65X 工具文件夹
请咨询我司 TI E2E™ 支持专家

特性

  • 最大功率：7.4kW，96.5% 峰值效率
  • VAC 90–264V 交流：240V 交流典型值
  • Vprim：400V 直流典型值；Vsec：250–450V 直流
  • 具有 500kHz 标称值 PWM 开关（范围为 200kHz–800kHz）的 CLLLC 谐振回路可以实现更高的功率密度
  • 软开关在初级侧使用零电压开关 (ZVS)；在次级侧使用零电流开关 (ZCS) 和 ZVS，可实现更高的效率
  • 使用 Rogowski 线圈传感器实现有源同步整流方案，可实现更高的效率
  • 控制律加速器 (CLA) 为 TMS320F28003x 器件提供软件支持，可以实现通过单一 C2000 MCU 控制交流/直流和直流/直流的集成式 OBC 设计。
  • 为 TMS320F28P65x 器件提供软件支持，其中一个 CPU (CPU1) 控制交流/直流和直流/直流级。
  • 利用 TMS320F28P65x 的全新硬件过采样特性减少了 CPU 开销

应用

  • 混合动力、电动和动力总成系统
  • 直流快速充电站
  • 电源转换系统 (PCS)

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1 CLLLC 系统说明

车载充电器 (OBC) 是电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 必不可少的组成部分。OBC 通常由交流/直流 [功率因数校正 (PFC) 整流器级] 和隔离式直流/直流转换器组成，如图 1-1 所示。C2000 MCU 旨在实现汽车应用所需的高级数字电源控制；有关更多信息，请参阅 C2000 数字电源和 C2000 电动汽车。

GUID-AE0FF3B7-92B0-4073-A87D-AF890BBE631F-low.gif图 1-1 典型的 OBC 架构

对于大多数电动汽车 1 级和 2 级充电器而言，强烈需要能够在夜间将电池充满电。随着电池容量的增加，OBC 需要设计为具有更高的功率。随着 OBC 功率容量的增加，由于汽车的空间和冷却能力有限，功率密度和效率等规格变得更加重要。

CLLLC（电容器-电感器-电感器-电感器-电容器）具有对称谐振回路、软开关特性以及以更高的频率进行开关的能力，是这些应用的不错选择。在该设计中展示了 CLLLC 拓扑的控制和实现，如图 1-2 所示。

GUID-898AB710-7F6C-4D3C-8062-D86D4AC12468-low.gif图 1-2 适用于隔离式直流/直流转换器的 CLLLC 拓扑

图 1-2 的命名规则如下：

VPRIM 初级侧电压（通常来自 PFC 转换器）
IPRIM 初级侧的返回电流，可用于保护和监测。
IPRIM_TANK、IPRIM_TANK_2 初级侧的谐振回路电流，有两种检测方法，一种是使用分流电流检测，另一种是使用罗氏线圈。仅需一个，用于实现反向同步整流（例如次级到初级）。也用于提供保护。
VSEC 次级侧电压（通常为电池）
ISEC 次级侧的返回电流，用于实现电池电流控制环路。
ISEC_TANK 次级侧的谐振回路电流，用于实现正向功率流的同步整流（例如初级到次级）。
PRIM_LEG1/2_H/L 初级侧全桥的 PWM
SEC_LEG1/2_H/L 次级侧全桥的 PWM

 
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