25kW SiC直流快充設計指南(IV):DC-DC級設計考量和模擬

作者 : Karol Rendek & Stefan Kosterec,onsemi

本文將講解開發這種轉換器的關鍵設計考慮因素和權衡,尤其是圍繞磁性元件的定義,並討論電源模擬和所做的設計決策...

在此「25kW SiC直流快充設計指南」系列文章的第四篇,我們將聚焦DC-DC雙主動相移全橋(DAB-PS)零電壓開關(ZVS)轉換器,其簡介和部份描述參見第二部份。本文將介紹工程團隊遵循的一些DC-DC級設計過程。

具體而言,本文將講解開發這種轉換器的關鍵設計考慮因素和權衡,尤其是圍繞磁性元件的定義,並討論電源模擬和所做的設計決策。在第四部份還將討論在變壓器中的磁通平衡概念,以及如何在25kW快速直流(DC)充電樁中解決這一問題。

設計DAB DC-DC級

DAB DC-DC轉換器含有兩個全橋,採用四個SiC MOSFET模組、一個諧振變壓器和一個諧振電感。該系統運行相移調變並在高負載下達到零電壓開關(ZVS),同時可在200V至1000V的寬輸出電壓範圍內最大限度地提高效率。1再次顯示之前於第二部份介紹該電路級的簡化示意圖。

該轉換器旨在提供當輸出電壓介於約650V和800V之間的最高效率。針對400V電池的充電樁,應調整設計以在400V電平附近提供峰值效率。

1概述該轉換器的主要設計特性。

1:雙主動橋式(DAB) DC-DC級含有兩個全橋,中間有一個隔離變壓器。

1DC-DC轉換器運作所需資訊摘要。

DAB磁性元件設計指南

設計DAB-PS轉換器的一個基本步驟是選擇變壓器和諧振電感的關鍵參數。變壓器的匝數比(n1/n2)將顯著影響轉換器在整個工作範圍內的效率,因此DAB-PS轉換器的開發和最佳化很大程度上取決於磁性元件。

正如下文即將討論的,大多數模擬目標僅用於產生滿足應用需求的磁性能要求。磁性元件供應商使用這些資訊來完成滿足應用需求的元件設計,並進行生產,同時盡可能降低損耗並減小尺寸。

變壓器匝數比(n1/n2)和效率

當次級電壓(VSEC)等於初級電壓乘以n1/n2比值(公式1)時,DAB-PS轉換器將達到峰值效率。

因此,調整變壓器的方式應確保當VSEC等於目標輸出電壓(對於本專案為約650V至800V)時,達到該峰值性能工作點。以下模擬將顯示匝數比如何成為轉換器效率的主要決定因素(對於固定的開關頻率和開關技術),因為它會影響變壓器的初級(IPRIM,RMS和IPRIM,PEAK)電流和次級(ISEC,RMS和ISEC,PEAK)電流。模擬將有助於確定何種匝數配置可提高整體效率,並達到98%的目標值。

為了啟動並進行模擬,需要一些變壓器匝數比的初始值。在本專案中,初始值是根據以前的設計、市場基準和技術文獻中收集的經驗提出的,並以主要以公式1為基礎。

諧振電感(LRESONANT)

諧振電感值需要根據DAB-PS中變壓器的漏感進行調整。理論上,在某些設計中,變壓器的固有漏感可用於實現支援ZVS的必要諧振。然而,在像本項目這樣的高功率應用中,情況並非如此,因此所選的諧振電感值需要補充變壓器的漏感。

公式2定義DAB-PS轉換器的輸出功率、初級和次級電壓、開關頻率、相移和諧振電感(諧振電感+變壓器漏感)之間的關係。根據功率轉換器中的典型情況,已證明fs值越高,所需的電感就越小。

其中,P是DAB的功率傳輸,VPRIM是初級電壓,VSEC是次級電壓,ɣ是相移,fs是開關頻率,LRESONANT+LEAKAGE是諧振電感+變壓器漏感。該公式基於簡化的線性化模型,但對初始估值很有用。

透過應用公式2並將其與25kW DC充電樁的規格進行比較,可以確定將LRESONANT與LLEAK的和取值為22µH左右會是一個合理的假設。2顯示,對於最壞情況(VSEC=200V),可以在留有一定裕量的條件下提供10kW額定輸出功率,因為從諧振角度來看,理想情況下的最大功率傳輸為11.57kW。

2在整個輸出電壓範圍內滿足輸出功率規格所需的LRESONANT+LEAK

勵磁電感(LM)

勵磁電感(LM)在最佳化變壓器尺寸方面發揮著重要作用,並且會影響整體效率。對於給定的初級電壓,較高的LM將轉化為較低的勵磁電流(IM),從而降低流過磁芯的總磁通量,縮小所需的有效橫截面積(Ae)(公式345),這會有利於變壓器更緊湊。

儘管如此,較高的LM值意味著所需匝數(n1)的增加,在高RMS電流的系統中運作(如本示例中的25kW電動車充電樁設計),會導致導線橫截面積的增加(控制傳導損耗),因而導致變壓器體積的增加,以便能夠在磁芯的可用繞組區域中容納磁芯。

顯而易見地,勵磁電感值是變壓器設計和改良的一個要素,但不是轉換器的固定要求。因此,工程師在此採用的方法是依靠磁性元件製造商提供改良設計,盡可能做到緊湊和高效,同時滿足應用要求(主要是效率、尺寸和成本)。然而,公式35有助於瞭解勵磁電感如何影響到改變變壓器尺寸和損耗的各項。

其中B是磁通密度,φ是磁通量,Ae是(磁芯的)有效橫截面積。

其中µo是真空磁導率,µr是相對磁導率,le是磁路長度,la是磁芯氣隙長度,N是初級繞組的匝數,IM是勵磁電流。

其中AL是電感係數。

從控制和調節的角度來看,為LM設立一個最小值也很重要。該值越低,控制迴路運作的速度就越快,而採集和控制硬體需要支援該工作速度。

總而言之,在本項目中定義LM可接受範圍的最重要因素包括:最大調節速度、對IM峰值電流的影響、對次級側電流的影響(隨著LM的減小而增加)和磁體結構的可行性(緊湊)。

開關頻率

根據以往設計(例如11kW LLC轉換器)中累積的經驗,選擇100kHz作為開關頻率。該值是在相對較高的開關頻率(有助於減小磁體尺寸)和過高的開關頻率(會產生過高的開關損耗)之間進行的權衡。

相移法和幾種選擇

出於模擬的目的,在互補橋之間使用固定工作週期為50%的單相移。計畫在實際控制實施級評估其他相移法(例如擴展相移、雙相移和三相移),作為改善系統性能的選擇之一。

磁通平衡

磁通平衡技術旨在防止變壓器中由所謂的磁通走漏引起磁飽和。這種現象(又稱磁通階梯效應)的成因是,由於施加於變壓器的(伏特x時間)淨積不平衡,造成在每個開關週期中磁芯中剩餘磁通的累積——在一個開關週期中它應該恰好為零。當乘積不為零時,所施加的電壓波形不是純交流的,而是含有DC偏置分量,該分量會引起剩餘磁通。

(伏特x時間)乘積背後的不平衡可能非常細微,難以識別,例如單個半橋的工作週期或RDSON本身。在小功率和中功率系統中,採用一個「隔直電容」,與初級或次級繞組串聯,用來過濾DC偏置電流。在25kW充電樁設計中,該電容的特性和要求會導致元件體積龐大或無法實現。電容值會落在幾十微法的範圍內,隔直電壓在1000V左右。

然而,最具挑戰性和限制性的則是IPRIM,RMS和ISEC,RMS很高,預計會介於45A和65A之間。合適的解決方案需要大約15到20個陶瓷電容並聯,鑒於多種原因,包括尺寸、成本、佈局複雜程度和系統可靠性,這並不實際。替代方案是採用電解電容或金屬化聚丙烯電容,類似於在PFC級的DC鏈路中所使用的電容,但這會佔用PCB上的大量空間,同時也會增加BOM成本。

若要兼具實用、緊湊且有競爭力的設計,一種可行解決方案是防止磁通階梯效應。這可採用多種實現方法,並且有大量討論該主題的文獻。本專案實施的解決方案是磁通平衡演算法,該演算法可控制和修改施加在變壓器初級和次級繞組上的電壓波(工作週期),以使其保持平衡,從而確保平均DC電流為零。

測量初級和次級電流作為控制環路的輸入,這需要額外測量變壓器的初級和次級電流,而對於實際的轉換器控制,僅檢測輸入和輸出電流。另一方面,磁通平衡消除了電容需求,從而減小了尺寸和成本,並提高了系統效率。這些因素以及工程團隊以前在實施這種技術方面的專業知識,都是此方法深受歡迎的主要原因。本系列文章的第五部份將提供有關實施磁通平衡控制技術的更多詳細資訊。

準備模擬

除了討論PFC級的開發之外,本系列文章的第三部份提供更廣泛的概述,說明為什麼模擬在電力電子設計中至關重要,以及在運行模擬之前要考慮的主要因素,例如目標、模型和輸入參數。牢記這些因素將有助於成功的專案開發和執行。下面將介紹DAB-PS級電源模擬的關鍵資訊。

目標

以驗證系統的目標效率為主要目標,並由此説明選擇變壓器和諧振電感的參數,在實現效率最大化的同時滿足系統的其餘要求。3概述了主要目標。

3:模擬的主要目標摘要。

模擬模型

安森美半導體工程團隊為DC-DC轉換器開發的SPICE功率模擬模型如2所示。與第三部份中介紹的三相PFC級電源模擬模型相比,它更簡單,前者對三個半橋進行開關,需要同步交流(AC)電網電流和電壓。在DAB-PS轉換器中,電源級使用四個半橋單元(與PFC模型中使用的模組相同)。至於變壓器和諧振電感,該模型包含:Lpri與Lsec的耦合比(K=1)、Lm (勵磁電感)、Ls (次級電感)、Lr (諧振電感)和等效串聯電阻(適用於變壓器和電感繞組)。須強調的是,變壓器和電感的磁芯損耗並未包含在內。在這一級中,考慮這些因素的可行起點是估計該損耗與傳導損耗近似。

模型中的其他元件包括C Pri和電壓電流感測器(SPICE格式),用於測量初級和次級電流以實現磁通平衡。C Pri代表在DAB-PS輸入端使用的緩衝電容,並與DC鏈路並聯。此類電容應靠近MOSFET放置,以抑制開關節點上出現的電壓尖峰。

在最終產品實現中,可能不需要這些電容,或者其規格要小得多,因為PFC的DC鏈路部份已經提供了濾波功能。然而,就本專案的目的而言,DAB-PS應作為一個獨立系統正常工作,進行獨立評估,因此該電容必不可少。如前所述,該控制模型採用了50%單相移工作的定制數位PWM模型。

2DAB轉換器的模擬模型。

輸入參數

45概述了模擬輸入參數。將使用n1/n2、LM和VSEC的替代值進行評估並最終確定最佳配置。其餘參數在所有模擬中保持不變,根據工程團隊在被動元件設計方面的專業知識、現有解決方案的基準和圍繞該主題的文獻,選擇這些參數,以作為起點。

表4:模擬輸入參數。藍色是在模擬中會發生變化的參數。

5SPICE模擬的配置。

模擬結果

本章節討論模擬獲得的結果。測試可分為兩個主要評估,第一個評估圍繞變壓器匝數比n1/n2和效率,第二個評估圍繞LM。測試結果將有助於實現前面提出的目標並回答關鍵的設計問題。請注意,除非另有說明,否則所有模擬均在「輸入參數」部份中提供的數值下執行。

變壓器匝數比(n1/n2)評估

效率和損耗

模擬的第一個結果和最具代表性的結果如34所示。根據不同的n1/n2配置,分別在800V、666.7V和571V次級工作電壓下提供峰值效率。在此值得注意的是,在340V至830V的VSEC工作電壓範圍內,所有評估的匝數比都可實現98%的峰值效率(但不包括電感和變壓器的磁芯損耗)。

然而,隨著VSEC向低端(200V)和高端(1000V)移動,不同n1/n2比值之間的差異會變得更明顯。實際VSEC值偏離最佳點越遠,效率就越差(3中曲線圖的左右兩端)。有趣的是,雖然增加n1/n2會顯著增加VSEC>VSEC,OPTIM時的總功率損耗(4右端),但減小n1/n2並不會對VSEC<VSEC,OPTIM時的功率損耗產生同等明顯的影響(4的左端)。

儘管增加n1/n2比值會使VSEC<VSEC,OPTIM時的效率提高(3左端),但差異並不像VSEC>VSEC,OPTIM時那樣顯著(3右端)。因此,似乎減小n1/n2比值可能會導致整體性能的提高,不過情況並非總是如此,這取決於在整個VSEC工作範圍內要確保的最低效率。

3:隨VSEC電壓和變壓器不同的n1/n2比值,DAB效率的變化。不包括諧振電感和變壓器的磁芯損耗。VDC-LINK=800VLM=720µH

4:隨VSEC電壓和變壓器不同的n1/n2比值,DAB功率損耗的變化。不包括諧振電感和變壓器的磁芯損耗。VDC-LINK=800VLM=720µH

初級和次級電流

低n1/n2比值也帶來了缺點,通常需要找到一個最佳點。最突出的缺點是在低VSEC時IPRIM,PEAK和IPRIM,RMS較高(5),這意味著SiC MOSFET的導通電流較高。

同時,增加n1/n2會導致在高VSEC下更高的ISEC,PEAK和ISEC,RMS (6)。為避免磁飽和,需要在變壓器設計中格外小心初級側出現相對較高的峰值電流。

5IPRIM,RMSIPRIM,PEAK與變壓器匝數比的函數關係(VDC-LINK=800VLM=720µH)

6ISEC,RMSISEC,PEAK與次級側電壓和變壓器匝數比的函數關係(VDC-LINK=800VLM=720µH)

初級電壓、次級電壓和電感電壓

7描述變壓器繞組上的電壓。這些都是需要傳遞給變壓器製造商的值,以供其計算所需的隔離。

7:變壓器兩端子間VPRIM,PEAKVSEC,PEAK電壓與次級側電壓和變壓器匝數比的函數關係(VDC-LINK=800VLM=720µH)

同樣,8顯示了諧振電感的電壓,在這兩種情況下,電壓演變遵循類似的模式,兩端子間的電壓隨著VSEC的增加而增加。在所有情況下,電壓值都保持在1000V以下,對於常用電感來說不會構成問題。

8:兩端子間的諧振電感電壓與次級側電壓和變壓器匝數比的函數關係(VDC-LINK=800VLM=720µH)

勵磁電流

變壓器勵磁電流(對於給定的LM)未因n1/n2的變化在整個VSEC工作電壓範圍內顯示出明顯變化(9)。

9IM與次級側電壓和變壓器匝數比的函數關係(VDC-LINK=800VLM=720µH)

勵磁電感(LM)評估

本章節介紹不同勵磁電感值對系統性能的影響。請注意,我們使用不同的勵磁電感(720μH、300μH和150μH)執行了三個模擬系列。在此分析中,已將變壓器的n1/n2固定為1.2:1。

上一章節使用相對較高的Lm固定值(720μH),評估了匝數比(n1/n2)對效率和其他變數的影響。如9所示,該選擇導致最大IM,PEAK低於5A,這似乎符合電源變壓器設計中的常見經驗法則,即將變壓器設計為在IM,PEAK的值約為最大IPRIM,PEAK(5中的82Apeak)的5%至10%下工作。

圖10顯示LM對效率的實際影響非常低,在非常高的VSEC下僅表現出0.4%的差異。正如「DAB磁性元件設計指南」一節所述,勵磁電感的實際值不是專案的關鍵要求,而是由磁性供應商選擇,以便製造盡可能緊湊的變壓器,同時滿足其餘要求。

10VDC-LINK=800Vn1/n2=1.2:1時,DAB效率和功率損耗與次級側電壓和勵磁電感的函數關係。不包括諧振電感和變壓器的磁芯損耗。

模擬得到的另一個啟示是,在不同的LM值下,IPRIM,PEAK和IPRIM,RMS幾乎保持不變(11)。然而,次級側的情況並非如此(12),在不同的LM值下,ISEC,PEAK和ISEC,RMS分別從91Apeak躍升至109.6Apeak、從49Arms躍升至58.7Arms。

透過這一觀察和研究,可以瞭解勵磁電感如何影響變壓器尺寸。ISEC,RMS的平方增加了1.435倍(LM=150µH (58.7Arms)相對於LM=720µH (49Arms)),這可以解釋為需要以相同的因數增加導線的橫截面積(如果繞組損耗保持不變)。然而,n2 (LM=150µH)減小為1/2.19,使用相同的繞組橫截面積將使銅損耗降低為1/1.52。最重要的是,n1(初級匝數)也會減小,從而降低了銅損耗。

儘管如此,這種改進可能是以加大磁芯為代價。隨著LM的降低,IM,PEAK增加了4.8倍,從4.1A (LM=720µH)增加到19.9A (LM=150µH),如13所示,而n1(和n2)僅減小為1/2.19(如上所述)。應用公式3,乘積N·IM增加,磁通密度(B)隨之增加,這會觸發對更大磁芯(增加Ae橫截面積)的需求,以便保持合理水準的磁通密度(B)。

該示例說明這幾個元件的相關性,以及為什麼通常要進行折衷。然而,找到變壓器尺寸和LM之間的最佳點通常取決於磁性元件設計人員的技術和能力(如前所述)。

11DAB IPRIM,PEAKIPRIM,RMS變化與次級側電壓和勵磁電感的函數關係(VDC-LINK=800Vn1/n2=1.2:1)

 12DAB ISEC,PEAKISEC,RMS變化與次級側電壓和勵磁電感的函數關係(VDC-LINK=800Vn1/n2=1.2:1)

13DAB IM,PEAK變化RMS與次級側電壓和勵磁電感的函數關係(VDC-LINK=800Vn1/n2=1.2:1)

結論和設計折衷

上述章節所介紹的模擬用於驗證DAB轉換器的初始目標,並説明制定設計決策,尤其是涉及變壓器和諧振電感的設計決策。67顯示了系統最終選擇的參數值。這些值將傳遞給磁性元件製造商,供他們開發最佳化的磁性元件。

已將變壓器的匝數比n1/n2設置為1.2:1.0,因為此配置在整個工作範圍內表現出最佳性能,在VSEC=800V時表現出高峰值效率(99.4%),在VSEC=900V時為99%,而在接近低端(200V)和高端(1000V)處則僅表現出小幅效率下降(3),相比其他匝數比(1.4:1.0和1.0:1.0)性能更好。

對LM的要求則更加靈活,額定範圍大約從150µH到300µH。該值是DAB磁性元件設計指南中提及的多方面因素的折衷。在IM=20A(及以下)時,應確保最小LM值為150µH,而範圍高達300µH則為磁性元件製造商留出了LM值的選取空間,以提供盡可能緊湊和高效的全面變壓器設計。

根據DAB磁性元件設計指南章節中提出的建議,選擇10µH作為諧振電感的估計值。

最後不得不提的是,已提議將變壓器和電感的等效串聯電阻(ESR)值作為符合其他定義參數的最大合理估計值。不言而喻,實際磁性設計越能降低電阻值則越好。這屬於磁性元件供應商可以增加價值的優化過程。


6:為變壓器選擇的設計參數。這些用於為變壓器製造商指定變壓器要求。

7:為諧振電感選擇的設計參數。這些用於為變壓器製造商指定電感要求。

開發過程的下一步將是與磁性元件製造商分享要求,並接收磁性部件的設計建議。一旦獲得了磁性元件的樣品,就可以測量它們的實際參數,並使用SPICE模型中的改進參數運行新的模擬。在獲得實際轉換器硬體之前進行第二次分析,提供更準確的性能和損耗結果。

例如,可以在模擬中添加磁芯損耗,因為磁性製造商通常會提供實際值。雖然下一篇系列文章中將討論磁性參數,但實際測量的磁參數也將有助於增強控制模型,並有助於在擁有硬體之前推進控制演算法和控制環路的開發。這有助於加速開發過程,因為使用高級模型可能會簡化硬體的除錯和調整工作。

本文作者:

Karol Rendek是安森美系统工程中心的應用經理
Stefan Kosterec是安森美系统工程中心的應用工程師

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