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电动汽车直流充电桩电源拓扑分析和对比(DCDC部分)

本文主要讨论LLC 谐振转换器、相移全桥 (PSFB)、单相双有源电桥 (DAB) 和 CLLC 模式下的双有源电桥 (DAB – CLLC)。

1、 传统相移全桥 (PSFB)

相移全桥属于双有源电桥 转换器系列,其中次级上的有源开关替换为二极管。因此,它只允许单向功率传输。

通过改变初级电桥开关桥臂之间的相位来控制初级和次级之间的功率传输。因此,一个桥臂可实现 ZVS 导通,而另一个桥臂可实现低电压导通,从而更大程度地降低损耗。次级上的无源二极管可能会经历硬开关,并导致更多的传导损耗,从而降低该转换器的效率。该转换器在轻负载条件下会出现非 ZVS 导通损耗,而在非 ZVS 关断时会出现非 ZVS 导通损耗。通常,突发运行模式用于在轻负载条件下维持 ZVS。该转换器也是模块化的,可以并联以在电动汽车充电站中获得更高的功率吞吐量。在 PSFB 中,抖动可轻松实现以减少传导 EMI 信号。此拓扑需要一个直流阻断电容器,来阻止在电压模式控制中使变压器饱和的直流电压偏移。该转换器通常需要一个额外的匀场电感器,这是 ZVS 运行所必需的,它会使转换器变得笨重并会影响功率密度。

2 、双有源电桥 (DAB)

它由全桥组成,其中初级侧和次级侧的有源开关由高频变压器连接在一起。由于其中一个电桥中固有的滞后电流,电流使一个电桥(例如次级侧)和初级侧某些开关的输出电容放电,从而使 ZVS 导通。除此之外,这种无损电容缓冲器还可在开关上使用,以便减少关断损耗。该转换器的主要优势在于其固有的双向功能,这是通过控制两个电桥之间的相位角实现的,并且其模块化允许其扩展到更高的功率级别。

DAB 的控制范围从简单(或单相移调制)到复杂(扩展、双和三相移调制)。此拓扑可用于通过单相移调制覆盖广泛的电池电压变化,但变压器中的循环电流会增加,从而显著降低效率。但是,借助三相移等高级调制方案,转换器理论上可以在整个工作范围内实现 ZVS。对于此拓扑,变压器 KVA 额定值的输出功率利用率很高。对于该转换器,处理纹波电流所需的输出电容也很低。该转换器具有相对较少的器件数量、软开关换向、低成本和高效率,适用于功率密度、成本、重量、隔离和可靠性是关键因素的应用。另一个限制特性是,转换器通常需要一个附加匀场电感器,这是 ZVS 运行所必需的,它会使转换器变得笨重并会影响功率密度。

3、 LLC 谐振转换器

该转换器的增益是开关电桥增益、谐振回路增益和变压器匝数比的函数。通过改变运行的开关频率来实现输出电压调节。LLC 谐振转换器有三种运行模式/区域,即在谐振频率、高于谐振频率和低于谐振频率下运行。在低于谐振频率运行期间,谐振半周期电感器电流在开关周期内达到磁化电流的值,并导致次级整流器二极管之间的软开关,但另一方面,由于循环能量增加,会导致更多的传导损耗。高于谐振频率运行时,会导致次级整流器二极管的开关损耗增加和硬换向,但会由于循环能量减少而导致传导损耗降低。因此,当在接近谐振频率的情况下运行时,这些转换器可获得卓越性能,此时 ZVS 可导通,ZCS 可关断。该转换器提供单向功率流,通常用于功率低于 5kW 的应用。

并行和同步多个 LLC 转换器模块以提高功率吞吐量非常困难,通常需要外部控制逻辑来实现安全实施。高输出电压设计(大于 400V)中的低 di/dt 使得在 LLC 转换器中实现同步整流变得非常复杂。有源和无源器件上的纹波电流和峰值电压应力明显较高,因此需要更高的输出电容来处理高纹波。此外,LLC 转换器的变压器的尺寸也略高,因此这些无源器件可显著降低转换器的功率密度。由于此转换器在导通和关断期间具有软开关功能,因此与之前讨论的其他硬开关拓扑相比,EMI 性能更好。

4、 CLLLC 模式下的 DAB

CLLC 包含前面所述的 LLC 的所有功能,但该拓扑的主要优势是,通过在次级侧使用有源开关,我们可以实现双向电源传输,如图 4-4 所示。该转换器的 ZVS/ZCS 运行可提高效率。当总线电压有 10% 的裕量变化时,该转换器可以满足宽变化电池电压,并具有良好的效率性能、但使用固定总线电压时,其工作范围非常有限。在变压器初级侧和次级侧使用电容器的情况下,可以防止变压器磁芯饱和问题。

该转换器主要适用于车载充电器应用,但可在高达 10kW 的更高功率水平下使用。但是,扩展到更高的功率水平和并联可能很困难,因为它需要高度对称的容器结构和多个模块的同步,这可能非常困难。

5、 DC-DC拓扑总结

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