ZHCUBR5A October   2022  – February 2024

 

  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

3.1 图腾柱无桥 PFC 的优势

所有插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 需要在电网和车辆内部的高压电池包之间采用车载充电器 (OBC)。必须实施功率因数校正 (PFC) 转换器才能直接连接到电网进行交流/直流电源转换并更大限度地提高流向下游直流/直流转换器的有功功率。

传统的 PFC 转换器实现了无源二极管电桥以进行整流，该技术现在称为无源 PFC 技术。此类方案的优点为：设计简单，可靠性高，系统控制环路速度慢以及成本低。但缺点也很明显：无源器件很重，功率因数低，并且会产生显著的功率损耗，从而导致散热器体积庞大以及散热量大。通过进一步调查发现，在宽电源应用的低压线路上，输入电桥大约消耗输入功率的 2%。如果设计人员可以抑制串联二极管之一，则可以节省输入功率的 1%，从而使效率从 94% 上升至 95%（Turchi；Dalal；Wang；Lenck 2014）。由于上述缺点，桥式传统 PFC 的额定功率被限制在数百瓦以下，尤其是在混合动力电动汽车 (HEV) 或电动汽车 (EV) 中，其中小空间和小重量是关键设计参数。

因此，无桥架构趋势日益明显，这种架构消除了传统的二极管电桥。OBC 基于硅功率器件，存在低效率、低功率密度和高重量等限制。凭借 SiC MOSFET 的优势，设计人员可以利用快速开关、低反向恢复电荷和低 RDS(ON) 的卓越性能，极大地改善这些限制。

图 3-1 展示了图腾柱无桥 PFC 升压整流器的基本结构。该元件包含一个升压电感器、两个高频升压 GaN 或 SiC 开关（在下图中标记为 SiC1 和 SiC2）以及两个用于在工频下传导电流的元件。工频元件可以是两个慢速二极管，如图 3-1 所示。(A) 侧显示了两个硅二极管（D1 和 D2）。(B) 侧显示使用 Si1 和 Si2 可以进一步提高效率。

GUID-35888C74-7DB6-4B54-ABC6-2EA0E92705BB-low.gif图 3-1 图腾柱无桥 PFC 升压转换器拓扑：(A) 用于线路整流的二极管 (B) 用于线路整流的 MOSFET

图腾柱 PFC 中的固有问题是交流电压过零处的运行模式转换。当交流输入在过零处从正半线变为负半线时，低侧高频开关 SiC2 的占空比从 100% 变为 0%，SiC1 的占空比从 0% 变为 100%。由于高侧二极管（或 MOSFET 的体二极管）的反向恢复速度较慢，D2 的阴极电压无法立即从接地跳变为直流正电压（这会导致较大的电流尖峰）。由于该问题，设计人员无法在连续导通模式 (CCM) 图腾柱 PFC 中使用 Si MOSFET。因此，SiC1 和 SiC2 必须是氮化镓 (GaN) 或 SiC MOSFET 场效应晶体管 (FET)，具有低反向恢复，对于 TIDM-02013，我们选择了 GaN FET。

图腾柱 PFC 的最大优势是导通路径中的功率损耗较低。表 3-1 展示了传统 PFC 和图腾柱 PFC 之间的器件比较。

表 3-1 传统桥式 PFC 和图腾柱无桥 PFC 的器件比较
参数低频二极管高频二极管高频开关导通路径
传统桥式 PFC四一个一个两个低速二极管 + 一个开关或（两个低速二极管 + 一个高速二极管）
图腾柱无桥 PFC两个零两个一个高速 GaN 开关 + 一个低速 Si（或 SiC）MOSFET

以下列表总结了图腾柱 PFC 的优点：

  • 虽然传统 PFC 升压转换器是最常用的拓扑，但其效率受到前端二极管桥式整流器传导损耗的影响，并且无法双向运行。图腾柱 PFC 具有固有的双向运行功能。
  • 无桥 PFC 升压转换器极大地减少了二极管数量且提高了功率密度和效率。
  • 该 PFC 具有以下优点：高效率、小共模噪声、小交流电流纹波、小反向恢复电流和更少的元件。
  • GaN 体二极管的低反向恢复电荷和 GaN FET 的低导通电阻使该转换器成为双向车载充电器的高效且具有成本效益的解决方案。