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如何為直流超快充電樁設計選擇合適的拓撲結構?

03/05 09:40
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充電時間是消費者和企業(yè)評估購買電動汽車的一個主要考慮因素,為了縮短充電時間,業(yè)界正在轉向直流快速充電樁(DCFC)和超快速充電樁。超快速DCFC和超快速充電樁繞過了電動汽?的車載充電機(OBC),直接向電池提供更?的功率,并根據電池容量以200A-500A的額定電流進?充電,以更高功率充電來實現(xiàn)大幅減少充電時間的目標。

為了實現(xiàn)更快的充電,以適配更高的電動汽車電池電壓并提高整體功率效率,DCFC必須在更高的電壓和功率水平下運行,這給OEM制造商帶來的挑戰(zhàn)是必須設計一種能在不影響可靠性或安全性的情況下優(yōu)化效率的架構。由于DCFC和超快充電樁集成了各種元器件,包括輔助電源、傳感、電源管理、連接和通信器件,同時需要采?靈活的制造?法以滿?各種電動汽?不斷變化的充電需求,這給DCFC和超快速充電樁設計帶來更多的復雜性。

之前我們介紹過設計直流超快充電樁方案必知的幾種常見拓撲,今天將繼續(xù)為大家?guī)?strong>交錯式DAB變換器、雙有源橋諧振變換器、電平 DNPC LLC 諧振變換器以及串聯(lián)半橋 (SHB) LLC 諧振變換器拓撲結構的詳細解析。

交錯式DAB變換器

交錯式DAB變換器將損耗分配到兩個變壓器并允許使?成本優(yōu)化的安森美(onsemi) EliteSiC全橋功率集成模塊。我們可以使?EliteSiC F2全橋功率集成模塊(如NXH008T120M3F2PTHG)來開發(fā)60kW DAB變換器,并使?Elite Power 仿真工具來計算所有橋的功率損耗。為了實現(xiàn)360kW直流快速充電系統(tǒng),我們可以并聯(lián)6路60kW充電系統(tǒng)模塊。安森美建議在60kW隔離組件塊的初級和次級上實施F2全橋模塊。

圖7. 交錯式雙有源橋變換器

雙有源橋諧振變換器

對于雙向功率流,雙有源橋(DAB)諧振變換器是DAB變換器的替代解決?案。DAB變換器中添加一個額外的諧振電路來實現(xiàn)DAB諧振變換器。這些設計中主要使?LC(串聯(lián)諧振)、LLC 和 CLLC諧振電路。由于電路的對稱性,CLLC DAB變換器在兩個功率流?向上提供相同的電壓增益特性。CLLC變換器在變壓器兩側使?兩個諧振電容,與LLC變換器相?,可以減少電容上的應力。DAB CLLC諧振變換器如圖8所?。

圖8. 雙有源橋 CLLC 諧振變換器

同DAB變換器相?,因為分別具有較小的諧振電感和較?的漏感,DAB諧振CLLC變換器中循環(huán)的?功功率較小。然?,DAB諧振變換器(LLC或CLLC)在輕負載條件下會出現(xiàn)ZVS問題,在寬輸出電壓范圍和負載條件下會出現(xiàn)效率下降。為了實現(xiàn)初級和次級橋電路的輸出電壓調節(jié)和ZVSZCS,需要實施混合調制?案。變頻運?、移相控制PWM占空?控制和延遲關斷控制是常?的控制?法。根據電池充電器的輸出電壓和負載范圍,可以組合兩種或三種?法進?混合控制。由于所有電源開關均采?軟開關,DAB諧振變換器可提供最佳的EMI性能。

建議將EliteSiC功率集成模塊(半橋或全橋)?于?功率DAB CLLC諧振變換器應?。建議將 NXH003P120M3F2 EliteSiC半橋功率集成模塊?于DAB諧振CLLC變換器,以提供25kW?120kW的功率。對于120kW設計,可以使用三相交錯雙有源半橋諧振變換器在三個變換器之間分配功率損耗。在初級和次級均具有集成諧振電感的變壓器將提?DAB諧振變換器的密度和效率。交錯式三相雙有源半橋諧振變換器如圖9所?。

圖9. 交錯式三相雙有源半橋CLLC諧振變換器

三電平DNPC LLC諧振變換器

三電平DNPC LLC諧振變換器由三電平半橋電路、鉗位?極管、諧振 LLC 電路和次級全橋電路組成,如圖10所?

DNPC拓撲結構被視為諧振LLC電路初級側的主要拓撲,因為它與上?所?的整流PFC前端和兩級全橋的相腳具有相同的結構。DNPC諧振LLC電路的工作原理可以?諧振頻率來解釋。這同樣適?于?于或低于諧振頻率。開關S2和S3以50%的占空?運?,并有死區(qū)時間。外部開關S1與S2同時導通,但較早關閉以提供另一個死區(qū)時間。相對于S3,此模式適?于S4。因此,S1和S4以略低于50%的占空比工作,以適應此死區(qū)時間。

DNPC LLC電路具有復雜的換相過程,涉及多個器件。ZVS切換條件將分兩步實現(xiàn),第一步將輸出電容從初始電壓放電?一半電壓。然后下一步放電?0V以實現(xiàn)零電壓開啟。由于ZVS的復雜性,S3和S4的開啟情況不同。與兩電平LLC拓撲類似,需要變頻控制來調節(jié)輸出電壓??梢蕴砑酉嘁瓶刂苹騊WM占空?控制來實施混合調制控制,以在所有負載條件下保持ZVS狀態(tài)。

圖10.? 3電平DNPC LLC諧振變換器

串聯(lián)半橋 (SHB) LLC諧振變換器

串聯(lián)半橋(SHB)LLC 諧振拓撲是多電平拓撲的另一種變體,可?作 LLC 電路的初級拓撲,以承受?輸?電壓。圖11所?的SHB LLC電路具有與DNPC諧振LLC拓撲相同的諧振回路和次級全橋電路。

圖11. 串聯(lián)半橋LLC諧振變換器(參考?獻5)

同DNPC LLC相腳相?,SHB LLC相腳的主要優(yōu)點是消除了兩個鉗位?極管,可將動力電池的元器件數(shù)量減少。SHB LLC拓撲具有兩種?于諧振電路操作的調制?案,從?為直流電壓轉換提供更?的控制靈活性。外部開關S1和S4發(fā)?對稱調制,具有相同的信號和50%占空?,?內部開關S3和S4與具有死區(qū)時間的其他開關互補。

對于對稱調制,初級橋相電壓以50%占空?在Vbus和0V之間切換。對于?對稱調制,外部開關S1和S4具有25%的占空?,?內部開關S3和S4具有75%的占空?。S1和S4的柵極信號不像對稱調制那樣同步。相反它們相移180度。該相移也適?于內部開關S3和S4。

在?對稱調制中,上半部和下半部總線電壓交替連接到相腳輸出,以兩倍于器件開關頻率的速度在Vbus的一半和零之間切換。兩種調制?案的諧振回路兩端的電壓也不同。?對稱調制的相腳電壓的平均值是對稱調制的相同電壓的一半。然?,?對稱調制的 相腳電壓的等效頻率是對稱調制的兩倍。輸出電壓的差異影響很多??,例如輸出電壓范圍、諧振回路值、開關頻率范圍以及軟開關條件。

SHB電路的主要優(yōu)點是諧振回路兩端的激勵電壓有3個不同的電平(Vbus、0.5Vbus、0)。通過調制?案電壓具有兩個頻率。直流電壓轉換的輸出電壓可以通過調制進??范圍調整。開關頻率可降低一半,以實現(xiàn)與DNPC LLC 拓撲相同的等效工作開關頻率。這些功能為SHB LLC電路增加了更多靈活性,可處理寬輸?電壓或輸出電壓范圍。與DNPC拓撲相?,SBH電路的主要優(yōu)點是結構更簡單。

結論

在評估了各種隔離式DC-DC拓撲結構之后,安森美認為雙有源橋變換器( Dual Active Bridge Converter)拓撲是具有雙向充電功能的更優(yōu)化解決?案。DAB變換器具有較少的元器件,且用在?功率直流快速充電樁應?中無需串聯(lián)諧振電容,安森美使用NXH010P120M3F1半橋模塊開發(fā)了25kW 直流快速充電樁參考設計以演示這種拓撲結構。對于?于100kW的設計,交錯式DAB變換器是一種合適的拓撲結構。

DC?DC轉換的EliteSiC M3S 功率集成模塊選型表

 

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安森美

安森美

歷史安森美半導體前身是摩托羅拉集團的半導體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產摩托羅拉的分立晶體管,標準模擬和標準邏輯等器件。并購紀錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設計和制造設施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機的子公司三洋半導體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導體和富士通半導體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導體公司。2016年八月,安森美半導體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務給 Littelfuse 達成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關型晶閘管產品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導體完成收購飛兆半導體公司。產品安森美半導體制造以下的各種產品:定制:ASIC;定制代工服務;定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產生;時鐘及數(shù)據分配;存儲器;微控制器;標準邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關;音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產品部安森美半導體的各個產品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯汀(Austin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達荷州波卡特洛、愛達荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社

歷史安森美半導體前身是摩托羅拉集團的半導體元件部門,于1999年獨立上市,繼續(xù)生產摩托羅拉的分立晶體管,標準模擬和標準邏輯等器件。并購紀錄2000年四月,完成收購Cherry Semiconductor。2006年,完成收購位于美國俄勒岡州Gresham的LSI Logic設計和制造設施。2008年一月,以184M美元完成收購美國模擬器件公司的穩(wěn)壓及熱管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部門。2008年三月,以915M美元完成收購AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收購Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收購PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收購California Micro Devices。2010年六月,完成收購Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收購日本三洋電機的子公司三洋半導體(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收購賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)的CMOS圖像傳感器業(yè)務部門。2014年五月,完成收購Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半導體和富士通半導體宣布戰(zhàn)略合作(包括晶圓代工服務協(xié)議,及日本會津若松市富士通的8吋晶圓廠的10%權益。)2014年八月,以4億美元完成收購總部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半導體完成收購Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥資24億美元現(xiàn)金收購飛兆半導體公司。2016年八月,安森美半導體宣布已就出售點火IGBT業(yè)務給 Littelfuse 達成協(xié)議,出售其瞬態(tài)電壓抑制二極管和開關型晶閘管產品線,售價共1.04億美元現(xiàn)金。2016年九月,安森美半導體完成收購飛兆半導體公司。產品安森美半導體制造以下的各種產品:定制:ASIC;定制代工服務;定制ULP存儲器;定制CMOS圖像傳感器;集成無源器件分立:雙極晶體管;二極管和整流器;IGBT和FET;晶閘管;可調諧組件電源管理:AC-DC控制器和穩(wěn)壓器;DC-DC控制器、轉換器和穩(wěn)壓器;熱管理;驅動器;電壓和電流管理邏輯:時鐘產生;時鐘及數(shù)據分配;存儲器;微控制器;標準邏輯信號管理:放大器和比較器;模擬開關;音頻/視頻的ASSP;數(shù)字電位計;EMI/RFI濾波器;接口;光電、圖像及觸摸傳感器產品部安森美半導體的各個產品部門:模擬方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高騰博),執(zhí)行副總裁兼總經理圖像傳感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高級副總裁兼總經理電源方案部(PSG) – Bill Hall(賀彥彬),執(zhí)行副總裁兼總經理解決方案工程中心日本:大阪; 東京中國:上海德國:慕尼黑中國臺灣:臺北美國:加州圣荷西; 俄勒岡州波特蘭; 底特律韓國:首爾設計中心美國:亞利桑那州鳳凰城(Phoenix)、亞利桑那州錢德勒(Chandler)、得州奧斯?。ˋustin)、得州普萊諾(Plano)、羅德島州東格林尼治(East Greenwich)、科羅拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、愛達荷州波卡特洛(Pocatello)、賓夕法尼亞州Lower Gwynedd、猶他州林頓(Lindon)、愛達荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯靈頓(Burlington), 滑鐵盧(Waterloo)比利時:梅赫倫(Mechelen),奧德納爾德(Oudenaarde),菲爾福爾德(Vilvoorde)法國:圖盧茲(Toulouse)德國:慕尼黑羅馬尼亞:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉發(fā)(Bratislava)愛爾蘭:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布爾諾(Brno)韓國:首爾中國臺灣:臺北印度:班加羅爾(Bangalore),諾伊達(Noida)日本:岐阜市,群馬菲律賓:德拉克市(Tarlac City)制造工廠美國:亞利桑那州鳳凰城、亞利桑那州錢德勒、俄勒岡州Gresham、愛達荷州波卡特洛、愛達荷州楠帕、緬因州南波特蘭加拿大:伯靈頓 (安大略省)比利時:奧德納爾德捷克:Roznov中國:樂山、深圳、蘇州日本:群馬縣、埼玉縣羽生市、新潟縣新潟市韓國:富川菲律賓:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿霧市馬來西亞:森美蘭州芙蓉市越南:邊和市、順安市社收起

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