【導(dǎo)讀】在本系列的前幾篇文章中[1-6]，我們介紹了基于安森美(onsemi)的SiC功率模塊和其他功率器件開(kāi)發(fā)的25kW EV快充系統(tǒng)，包括這個(gè)可擴(kuò)展系統(tǒng)的整體架構(gòu)和規(guī)格，以及其中PFC和DC-DC變換部分的硬件設(shè)計(jì)和控制策略。我們基本已經(jīng)把電路設(shè)計(jì)部分講完了，除了輔助電源設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。
輔助電源一般由直流母線供電，用于支持各種控制器、驅(qū)動(dòng)、通信器件、傳感器等工作電壓。根據(jù)車(chē)廠對(duì)電池的選擇，額定電壓通常是400 V或800 V。雖然400 V電池仍然占領(lǐng)目前的EV市場(chǎng)，但更高電壓的電池將成為未來(lái)的趨勢(shì)。
現(xiàn)在，用800 V電池替換400 V電池，這對(duì)系統(tǒng)效率的提高是非常有幫助的。更大的母線電壓意味著PFC電路的電流更小，從而可以使用更低電流規(guī)格要求的SiC MOSFET，有助于通過(guò)提高功率密度和減少系統(tǒng)尺寸來(lái)提高整體效率。
除此之外，800 V電池也有自己的優(yōu)勢(shì)，比如高壓低電流的快充。舉個(gè)例子，一般充滿一個(gè)60 kWh容量的電池，400 V/150 A的功率下充滿需要1小時(shí)，而800 V/100 A的條件下只需要45分鐘。降低工作電流能夠減小電感尺寸(更細(xì)的線徑)并解決散熱問(wèn)題，所以我們說(shuō)800 V方案是EV充電站的大趨勢(shì)。
考慮到這些，25 kW快充系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的輔助電源是直接連接在800 V母線上的，這種情況下，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，輔助電源系統(tǒng)將工作在240 V-900 V區(qū)間。由于PFC電路是交流400 V輸入，母線電容通過(guò)SiC MOSFET的體二極管進(jìn)行充電，所以實(shí)際母線電壓會(huì)達(dá)到約560V。當(dāng)母線電壓達(dá)到240 V時(shí)，輔助電源系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)始工作。
本篇將介紹25 kW快充系統(tǒng)中的輔助電源設(shè)計(jì)。它基于安森美(onsemi)針對(duì)800 V母線電壓的EV應(yīng)用所做的一個(gè)輔助電源參考設(shè)計(jì)方案，即SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB，它能提供15 V/40 W的持續(xù)輸出供電。類(lèi)似的方案還有SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB，它能提供15 V/15 W的持續(xù)輸出。
輔助電源的設(shè)計(jì)
安森美目前推出過(guò)的2套高壓輔助電源方案，適用于800 V和400 V電池的BEV(純電電動(dòng)車(chē))和PHEV(插混電動(dòng)車(chē))，能提供15 W或40 W的輸出功率。盡管這2套方是針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的，但它們也能滿足具有類(lèi)似高壓直流母線的應(yīng)用，比如直流快充。這種情況下，我們可以使用非車(chē)規(guī)器件，從而減少BOM成本。
SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB(40 W輸出)和SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB(15 W輸出)是適用于800 V和400 V車(chē)載電池的高效高壓輔助電源方案。它們擁有足夠?qū)挼墓ぷ麟妷悍秶?40 V-900 V，可以工作在400 V和800 V系統(tǒng)，同時(shí)穩(wěn)定提供一個(gè)15 V/15 W或15 V/40 W的輸出。圖1可以看到SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在25 kW快充系統(tǒng)里的位置。
圖1. 25 kW直流快充系統(tǒng)框圖
輔助電源系統(tǒng)基于反激式(Flyback)拓?fù)?，使用一顆原邊反饋(Primary Side Regulated)準(zhǔn)諧振(Quasi-Resonant)反激式控制器。原邊反饋控制器的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是它不需要光耦，這大大提高了電源的可靠性。
圖2. 輔助電源框圖
方案主要包括QR反激控制器NCP1362、1200 V,160 mΩ,TO247-3L的SiC MOSFET NTHL160N120SC1和SiC二極管FFSPF1065A。NTHL160N120SC1的柵極電容僅有34 nC，有利于減少電壓突變和開(kāi)關(guān)損耗，也有利于提高反激電路和輔助電源的整體效率。
NCP1362用于提供驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的12 V柵極電壓，無(wú)需額外的預(yù)驅(qū)，簡(jiǎn)化了整體電源設(shè)計(jì)。NCP1362的驅(qū)動(dòng)電壓是0 V-12 V，足以開(kāi)啟SiC MOSFET，沒(méi)有必要達(dá)到MOSFET的最大Vgs值。一顆5 kW,160 V的TVS二極管用于為NTHL160N120SC1提供鉗位保護(hù)。不使用驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)了許多好處，比如：
● 減少器件成本
● 簡(jiǎn)化BOM(驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)被動(dòng)器件)
● 更少器件和更少寄生效應(yīng)帶來(lái)的更高的穩(wěn)定性
● 更高效率
● 簡(jiǎn)化Layout
直流充電模塊的設(shè)計(jì)遵循IEC61851-1標(biāo)準(zhǔn)，反激變壓器也符合IEC61558-1標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)1000 V的工作電壓時(shí)的耐壓要求是2.75 kVrms，而我們?cè)O(shè)計(jì)中的反激變壓器具有4 kV的耐壓水平，并且為了減少RCD吸收電路的損耗進(jìn)行了優(yōu)化。RCD電路有助于限制高壓條件下的過(guò)壓、電壓突變振蕩，并且能為SiC MOSFET提供一個(gè)100 V的電壓裕度。
圖3顯示了負(fù)載功率在10%-100%下的瞬態(tài)響應(yīng)，圖4則體現(xiàn)了500 V DC輸入下負(fù)載在100%-10%的瞬態(tài)波形?？梢钥吹皆陔妷恨D(zhuǎn)換時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何振蕩，這體現(xiàn)了其高度穩(wěn)定性。
圖3. 10%-100%功率下的負(fù)載瞬態(tài)波形@500 V
圖4. 100%-10%功率下的負(fù)載瞬態(tài)波形@500 V
采用了工業(yè)級(jí)器件的SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB具有高輸出功率，它被用在25 kW直流充電系統(tǒng)的3個(gè)部分。第一個(gè)是在PFC部分用于為SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB供電，它作為驅(qū)動(dòng)SiC功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離電源，提供穩(wěn)定的電壓(-5 V和20 V)，如圖5，用于在寬輸入電壓范圍內(nèi)的高效開(kāi)斷。
圖5. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在PFC中的使用
從圖1我們可以看到剩下兩個(gè)輔助電源系統(tǒng)被用于25 kW系統(tǒng)的DC-DC部分，一個(gè)連接至直流母線，另一個(gè)連接到變壓器副邊輸出端如圖6。我們沒(méi)有在設(shè)計(jì)中采用高壓機(jī)械開(kāi)關(guān)或繼電器，而是通過(guò)通用控制板(SECO-TE0716-GEVB)根據(jù)當(dāng)前DC-DC工作方向來(lái)決定使用哪個(gè)輔助電源模塊。
圖6. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在雙向DC-DC中的使用
結(jié)論
800 V電池和其電路系統(tǒng)是非常理想的，因?yàn)樗鼈兡芴岣呦到y(tǒng)效率并且減少電池充電時(shí)間。不過(guò)，盡管800 V的母線電壓能夠降低回路電流，但設(shè)計(jì)一套高效的、適合800 V系統(tǒng)的輔助電源仍然充滿挑戰(zhàn)。本篇文章簡(jiǎn)單介紹了25 kW直流快充系統(tǒng)的輔助電源方案，它們直接連接在800 V母線并為快充系統(tǒng)中的低壓器件供電。
本系列文章共包含八個(gè)部分，下周我們將發(fā)布第八部分。
來(lái)源：安森美
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