В последние годы во всем мире увеличилось количество электромобилей, таких как электромобили на батарейках (BEV) или подключаемые гибридные транспортные средства (PHEVs). Помимо многих привлекательных факторов (например, меньший углеродный след и более низкие затраты на техническое обслуживание), максимально достижимый в настоящее время диапазон на одну зарядку все еще вызывает некоторый скептицизм у конечных пользователей. Несомненно, привлекательность электромобилей возрастает и падает из-за наличия аккумуляторов. Популярность и адаптируемость этих автомобилей, а следовательно, и потенциал роста этого сегмента рынка, обусловлены высокой надежностью и длительным сроком службы аккумуляторных батарей. Производительность аккумулятора, а также его долговечность в значительной степени зависят от технологий и методов зарядки. В этой статье мы более подробно рассмотрим архитектуру бортовой системы зарядки и подробно остановимся на наиболее популярных топологиях для PFC и каскадов постоянного тока.

Классический повышающий PFC

Простейшей топологией для достижения функциональности коррекции коэффициента мощности является использование простой топологии повышающего преобразователя, как показано на рисунке 1. Эта топология также известна как classic PFC или classic boost PFC. Схема содержит высокочастотный переключатель и диод, катушку индуктивности и диодный мостовой выпрямитель на стороне входа переменного тока. На стороне выхода постоянного тока обычно используются буферные колпачки для стабилизации выходного напряжения. Наиболее распространенным режимом работы для достижения высокого коэффициента мощности является режим непрерывной проводимости (CCM), который достигается за счет жесткой коммутации тока между переключателем и диодом. Такая топология обеспечивает однонаправленный поток мощности от входа переменного тока к выходу постоянного тока.

Из-за жесткой коммутации одним из требований является то, что полупроводники должны выдерживать непрерывную коммутацию. Таким образом, разумным выбором является использование сертифицированного для автомобильной промышленности устройства CoolSiC™ с диодом Шоттки 650 В Gen5 для положения “D1”, в то время как в качестве выключателя питания на этапе PFC подходят различные переключатели. Например, сертифицированный для автомобильной промышленности TRENCHSTOP™ AUTO 5 IGBT от Infineon обеспечивает высокоскоростную коммутацию при пробивном напряжении 650 В. Эти IGBT доступны в виде одиночных IGBT или IGBT со встроенным антипараллельным Si или SiC-диодом. Если выбранным устройством является одиночный IGBT, мы рекомендуем использовать небольшой антипараллельный PN-диод между коллекторным и эмиттерным узлами, чтобы избежать отрицательных скачков напряжения на IGBT. Когда целью является достижение наивысшей эффективности в простой топологии PFC, мы рекомендуем использовать MOSFET вместо IGBT. Последнее автомобильное поколение CoolMOS™, CoolMOS™ CFD7A, идеально соответствует топологии, в качестве аналога которой используется SiC-диод. Этот МОП-транзистор обладает преимуществом резистивного поведения в канале, не страдает от остаточного тока и обеспечивает меньшие потери при переключении из-за температуры по сравнению с IGBT. Все эти преимущества приводят к более низким потерям мощности и, следовательно, к более высокой эффективности преобразования.

В этой топологии также возможно использовать широкополосные транзисторы; однако это не принесло бы существенной выгоды, поскольку транзисторы SiC и GaN не могут быть использованы в полной мере из-за естественных характеристик топологии.

Тотемный столб PFC

Распространенной топологией для двунаправленных бортовых зарядных устройств является так называемый PFC с тотемным полюсом (рис. 3). В этой установке все диоды заменены активными переключателями питания, чтобы обеспечить возможность двунаправленного потока мощности. Еще одним преимуществом использования активных переключателей вместо диодов является повышение КПД. Тем не менее, эта модификация также увеличивает сложность, поскольку в схеме необходимо управлять большим количеством переключателей.

Тотемный столб PFC состоит из быстро переключающейся ножки (“S1” и “S2”) и медленно переключающейся ножки (“S3” и “S4”). Для “S1” и “S2” требуются полупроводники, способные выдерживать жесткую коммутацию тока нагрузки между двумя активными переключателями на высокой частоте. Таким образом, лучшим выбором для “S1” и “S2” является использование IGBT TRENCHSTOP™ H5 или МОП-транзисторов CoolSiC™. Переключатели на участке медленного переключения (“S3” и “S4”) выполняют функцию выпрямления фазы. Таким образом, они включаются и выключаются с частотой переменного тока во время пересечения нуля на входе переменного тока (переключение нулевого напряжения).

Одним из распространенных способов реализации PFC на тотемном столбе является использование переключателей IGBT для положений “S1”, “S2”, “S3” и “S4”. Высокоскоростной TRENCHSTOP™ 5 IGBT от Infineon — лучший выбор IGBT для бортовых систем зарядного устройства. CoolMOS™ CFD7A рекомендуется использовать для полумоста с медленным переключением (“S3” и “S4”) для дальнейшего повышения эффективности. Проектирование МОП-транзисторов с суперпереходом на участке фазового выпрямления возможно благодаря плавному переключению на частоте переменного тока. Реализация PFC с жестким переключением на тотемном полюсе возможна при использовании четырех МОП-транзисторов CoolSiC™ благодаря их сверхнизкому заряду обратного восстановления. Еще одним преимуществом МОП-транзисторов CoolSiC™ является их уровень пробивного напряжения 1200 В, который поддерживает более высокие напряжения постоянного тока (выше 650 В).

Полный мост со сдвигом по фазе (PSFB)

Обычно используемой топологией постоянного тока является так называемый полный мост со сдвигом фазы (рис. 5), состоящий из полного моста на первичной стороне преобразователя постоянного тока в постоянный, резонансной катушки индуктивности, изолированного трансформатора и выпрямителя на вторичной стороне. В современных бортовых зарядных устройствах, основанных на этой топологии, используются МОП-транзисторы на основе кремния или карбида кремния. IGBT не подходят для этой топологии из-за высоких требований к частоте переключения для компактных преобразователей постоянного тока в постоянный.

Существенным преимуществом этой топологии является ее высокая эффективность, поскольку она может работать в режиме плавного переключения в широком диапазоне нагрузок. Это означает, что энергия, запасенная в паразитных емкостях МОП-транзисторов, может быть повторно задействована, снижая потери мощности, уменьшая рассеивание тепла и повышая эффективность преобразования. Дополнительный индуктор на первичной стороне (L_r) обеспечивает плавное переключение МОП-транзисторов. Тем не менее, из-за внутренней природы этой топологии полная ZVS не может быть достигнута для всех МОП-транзисторов во всем выходном диапазоне. Как правило, жесткое переключение различных МОП-транзисторов происходит в условиях небольшой нагрузки (когда резонансная энергия недостаточно высока для поддержания ZVS). Это явление жесткого переключения также является причиной того, что Infineon рекомендует кремниевые МОП-транзисторы со свойствами быстродействующих диодов, такие как CoolMOS™ CFD7A, или широкополосные МОП-транзисторы, такие как серия CoolSiC™, для применения в автомобилестроении, чтобы обеспечить надежную работу в течение длительного времени.

Еще одним преимуществом этой топологии является то, что затраты на управление по сравнению с преобразователями LLC относительно невелики. Регулирование потока мощности достигается за счет управления фазовым сдвигом между двумя ветвями полумоста без необходимости изменения частоты или рабочего цикла. Более того, топология PSFB способна обеспечить более широкий коэффициент преобразования, чем конвертер LLC.

Вторичная сторона имеет задачу выполнять выпрямление передаваемой энергии с первичной стороны. Есть несколько способов достичь этого. Одним из способов было бы использовать полномостовое выпрямление (как показано на рис. 5) или трансформатор с центральным отводом. Для обоих вариантов наиболее распространенным выбором являются либо диоды, либо активные МОП-транзисторы.

Топология полного моста со сдвигом фазы также может быть использована для двунаправленных бортовых зарядных устройств, если вторичная сторона DC-DC использует активную коммутацию и применяется надлежащая стратегия управления. Рисунок 6 иллюстрирует концепцию двунаправленного PSFB. Как показано на рисунке, для поддержки двунаправленного потока питания не требуется никакой дополнительной модификации аппаратных компонентов.

Топология ООО

Топология LLC идеально подходит для достижения максимальной эффективности преобразования. По сравнению с PSFB топология LLC позволяет достичь еще более высокой эффективности, что приводит к снижению потерь во время работы и позволяет использовать преобразователи с еще более высокой плотностью мощности. Большинство преобразователей LLC, используемых во встроенных зарядных устройствах, являются полномостовыми преобразователями LLC. Полномостовая конфигурация на первичной стороне помогает снизить ток, проходящий через силовые выключатели, поскольку обмотка первичной стороны трансформатора подает в два раза более высокое напряжение по сравнению с полумостовым преобразователем LLC. Благодаря удвоенному напряжению можно передавать двойное количество мощности для данного размера трансформатора. Тем не менее, этот принцип действителен для всех полумостовых преобразователей, а не уникален для преобразователей LLC — но поскольку полумостовые преобразователи LLC чаще используются для приложений с низким энергопотреблением, именно поэтому здесь мы сосредоточимся на этом.

Еще одним преимуществом хорошо спроектированных топологий LLC является то, что ZVS может быть достигнута в полном диапазоне нагрузок. Тем не менее, жесткое переключение МОП-транзисторов может происходить при запуске и только в некоторых критических условиях (например, при работе в “емкостном режиме”). Поэтому мы рекомендуем использовать МОП-транзисторы с быстродействующим корпусным диодом и выдающейся прочностью коммутации для обеспечения долгосрочной надежности.

Помимо своих преимуществ, топология LLC имеет один недостаток: поток мощности управляется с помощью переменной частоты, а не с помощью переменного рабочего цикла управляющего сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Из-за требуемого диапазона частот проектирование электромагнитных фильтров может стать более сложным. Кроме того, усложняется синхронизация параллельных каскадов преобразователей LLC, поскольку трудно диктовать совместное использование тока. Кроме того, топология LLC страдает от несколько ограниченного коэффициента конверсии.

На рисунке 7 показан типичный полномостовой преобразователь LLC, используемый во встроенных зарядных устройствах, где вторичная сторона преобразователя также выполнена в виде полного моста.

Вывод

Привлекательность электромобилей возрастает и падает в зависимости от наличия аккумуляторов. Достижения в области полупроводниковых технологий необходимы для достижения более высокой эффективности и эксплуатационных характеристик, что делает электромобили удобной и экологичной альтернативой традиционным средствам передвижения. Чтобы соответствовать требованиям к дизайну современных OBC-систем, сегодня доступны различные топологии и технологии. Таким образом, задача состоит в том, чтобы найти идеальное соответствие между ними.

Для получения дополнительной информации:

www.infineon.com/CFD7A
www.infineon.com/onboard-battery-charger

Пожалуйста, посетите электронная книга для получения полной версии статьи.