25kW SiC直流快充設計指南(VII):800V EV充電系統的輔助電源

作者 : onsemi

輔助電源一般由DC Link電壓供電,用於支援各種控制器、驅動、通訊元件、感測器等工作電壓。雖然400V電池仍然佔領目前的EV市場,但更高電壓的800V電池將成為未來的趨勢...

在本系列的前幾篇文章中,我們介紹了以安森美(omsemi)的碳化矽(SiC)功率模組為基礎和其他功率元件開發的25kW EV快充系統,包括這個可擴展系統的整體架構和規格,以及其中PFC和DC-DC變換部份的硬體設計和控制策略。本單元基本已經完整介紹電路設計部份,接著討論輔助電源(auxiliary PSU)設計的相關內容。

輔助電源一般由直流鏈(DC Link)電壓供電,用於支援各種控制器、驅動、通訊元件、感測器等工作電壓。根據車廠對電池的選擇,額定電壓通常是400V或800V。雖然400V電池仍然佔領目前的EV市場,但更高電壓的電池將成為未來的趨勢。

現在,用800V電池替換400V電池,這對系統效率的提高是非常有幫助的。更大的電壓意味著PFC電路的電流更小,從而可以使用更低電流規格要求的SiC MOSFET,有助於透過提高功率密度和減少系統尺寸來提高整體效率。

除此之外,800V電池也有自己的優勢,如高壓低電流的快充。舉個例子,一般充滿一個60kWh容量的電池,400V/150A的功率下充滿需要1小時,而800V/100A的條件下只需要45分鐘。降低工作電流能夠縮小電感尺寸(更細的線路半徑)並解決散熱問題,所以我們說800V方案是EV充電站的大趨勢。

考慮到這些,25kW快充系統設計中的輔助電源是直接連接在800V DC Link上的,這種情況下,在系統啟動時,輔助電源系統將運作在240V-900V DC Link。由於PFC電路是交流400V輸入,從DC Link電容通過SiC MOSFET的體二極體進行充電,所以實際DC Link電壓會達到約560V。當DC Link電壓達到240V時,輔助電源系統就會開始工作。

本篇將介紹25kW快充系統中的輔助電源設計。它基於安森美針對800V DC Link電壓的EV應用所做的輔助電源參考設計方案,即SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB,它能提供15V/40W的持續輸出供電。類似的方案還有SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB,它能提供15V/15W的持續輸出。

輔助電源的設計

安森美目前推出過的2套高壓輔助電源配置,適用於800V和400V電池的純電電動車(BEV)和插電式混和動力車(PHEV),能提供15W或40W的輸出功率。儘管這2套皆是針對汽車應用,但它們也能滿足具有類似高壓DC匯流排的應用,比如DC快充。這種情況下,我們可以使用非車規元件,從而減少BOM成本。

SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB (40W輸出)和SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB (15W輸出)是適用於800V和400V車載電池的高效高壓輔助電源配置。它們擁有足夠寬的運作電壓範圍240V-900V,可以運作在400V和800V系統,同時穩定提供一個15V/15W或15V/40W的輸出。1可以看到SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在25kW快充系統中的位置。

圖1:25kW DC快充系統流程圖。

輔助電源系統基於返馳式(Flyback)拓撲,使用初級側穩壓準諧振(Quasi-Resonant)返馳式控制器。初級側穩壓的一個最大優點是它不需要光耦,這大大提高了電源的可靠性。

圖2:輔助電源流程圖。

該方案主要包括QR返馳控制器NCP1632、1200V、160mΩ、TO247-3L的SiC MOSFET NTHL160N120SC1和SiC二極體FFSPF1065A。NTHL160N120SC1的閘極電容僅有34nC,有利於減少電壓突變和開關損耗,也有利於提高返馳電路和輔助電源的整體效率。

NCP1362用於提供驅動SiC MOSFET的12V閘極電壓,無需額外的預驅,簡化了整體電源設計。NCP1362的驅動電壓是0V-12V,足以開啟SiC MOSFET,沒有必要達到MOSFET的最大Vgs值。一顆5kW/160V的TVS二極體用於為NTHL160N120SC1提供箝位保護。不使用驅動器帶來了許多好處,比如:

  • 減少元件成本
  • 簡化BOM (驅動器和相關被動元件)
  • 更少元件和更少寄生效應帶來的更高的穩定性
  • 更高效率
  • 簡化Layout

DC充電模組的設計遵循IEC61851-1標準,返馳變壓器也符合IEC61558-1標準,其中對1000V的運作電壓時的耐壓要求是2.75kVrms,而此設計中的返馳變壓器具有4kV的耐壓水準,並且為了減少RCD吸收電路的損耗進行了最佳化。RCD電路有助於限制高壓條件下的過電壓、電壓突變振盪,並且能為SiC MOSFET提供一個100V的電壓裕度。

3顯示負載功率在10%-100%下的瞬態回應,4則體現500V DC輸入下負載在100%-10%的瞬態波形。可以看到在電壓轉換時沒有發現任何振盪,這體現了其高度穩定性。

310%-100%功率下的負載瞬態波形@500V

4100%-10%功率下的負載瞬態波形@500V

採用了工業級元件的SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB具有高輸出功率,它被用在25kW DC充電系統的3個部份。第一個是在PFC部份用於為SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB供電,它作為驅動SiC功率模組的閘極驅動器的隔離電源,提供穩定的電壓(-5V和20V),如5,用於在寬輸入電壓範圍內的高效開斷。

圖5: SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在PFC中的使用。

1我們可以看到剩下兩個輔助電源系統被用於25kW系統的DC-DC部份,一個連接至DC Link,另一個連接到變壓器副邊輸出端如6。在此設計中並未採用高壓開關機械或繼電器,而是透過通用控制板(SECO-TE0716-GEVB)根據當前DC-DC運作方向來決定使用哪個輔助電源模組。

圖6:SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在雙向DC-DC中的使用。

結論

800V電池和其DC Link系統是非常理想的,因為它們能提高系統效率並且減少電池充電時間。不過,儘管800V的DC Link電壓能夠降低回路電流,但設計一套高效的、適合800V系統的輔助電源仍然充滿挑戰。本篇文章簡單介紹了25kW DC快充系統的輔助電源配置,它們直接連接在800V匯流排並為快充系統中的低壓元件供電。

本文作者:

Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和Will Abdeh,安森美半導體

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