你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

25kW SiC直流快充設(shè)計指南(第七部分):800V EV充電系統(tǒng)的輔助電源

發(fā)布時間:2022-07-07 來源:安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【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發(fā)的25kW EV快充系統(tǒng),包括這個可擴展系統(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)計和控制策略。我們基本已經(jīng)把電路設(shè)計部分講完了,除了輔助電源設(shè)計的相關(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、通信器件、傳感器等工作電壓。根據(jù)車廠對電池的選擇,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,但更高電壓的電池將成為未來的趨勢。


現(xiàn)在,用800 V電池替換400 V電池,這對系統(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,有助于通過提高功率密度和減少系統(tǒng)尺寸來提高整體效率。


除此之外,800 V電池也有自己的優(yōu)勢,比如高壓低電流的快充。舉個例子,一般充滿一個60 kWh容量的電池,400 V/150 A的功率下充滿需要1小時,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)并解決散熱問題,所以我們說800 V方案是EV充電站的大趨勢。


考慮到這些,25 kW快充系統(tǒng)設(shè)計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)啟動時,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SiC MOSFET的體二極管進行充電,所以實際母線電壓會達(dá)到約560V。當(dāng)母線電壓達(dá)到240 V時,輔助電源系統(tǒng)就會開始工作。


本篇將介紹25 kW快充系統(tǒng)中的輔助電源設(shè)計。它基于安森美(onsemi)針對800 V母線電壓的EV應(yīng)用所做的一個輔助電源參考設(shè)計方案,即SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB,它能提供15 V/40 W的持續(xù)輸出供電。類似的方案還有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


安森美目前推出過的2套高壓輔助電源方案,適用于800 V和400 V電池的BEV(純電電動車)和PHEV(插混電動車),能提供15 W或40 W的輸出功率。盡管這2套方是針對汽車應(yīng)用的,但它們也能滿足具有類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),同時穩(wěn)定提供一個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。


9.jpg

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最大優(yōu)點是它不需要光耦,這大大提高了電源的可靠性。


1656319039920496.png

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SiC MOSFET的12 V柵極電壓,無需額外的預(yù)驅(qū),簡化了整體電源設(shè)計。NCP1362的驅(qū)動電壓是0 V-12 V,足以開啟SiC MOSFET,沒有必要達(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。不使用驅(qū)動器帶來了許多好處,比如:


●    減少器件成本

●    簡化BOM(驅(qū)動器和相關(guān)被動器件)

●    更少器件和更少寄生效應(yīng)帶來的更高的穩(wěn)定性

●    更高效率

●    簡化Layout


直流充電模塊的設(shè)計遵循IEC61851-1標(biāo)準(zhǔn),反激變壓器也符合IEC61558-1標(biāo)準(zhǔn),其中對1000 V的工作電壓時的耐壓要求是2.75 kVrms,而我們設(shè)計中的反激變壓器具有4 kV的耐壓水平,并且為了減少RCD吸收電路的損耗進行了優(yōu)化。RCD電路有助于限制高壓條件下的過壓、電壓突變振蕩,并且能為SiC MOSFET提供一個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)換時沒有發(fā)現(xiàn)任何振蕩,這體現(xiàn)了其高度穩(wěn)定性。


11.jpg

圖3. 10%-100%功率下的負(fù)載瞬態(tài)波形@500 V


1656319012153119.png

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個部分。第一個是在PFC部分用于為SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB供電,它作為驅(qū)動SiC功率模塊的柵極驅(qū)動器的隔離電源,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)的高效開斷。


1656318988567218.png

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輔助電源系統(tǒng)被用于25 kW系統(tǒng)的DC-DC部分,一個連接至直流母線,另一個連接到變壓器副邊輸出端如圖6。我們沒有在設(shè)計中采用高壓機械開關(guān)或繼電器,而是通過通用控制板(SECO-TE0716-GEVB)根據(jù)當(dāng)前DC-DC工作方向來決定使用哪個輔助電源模塊。


1656318973942649.png

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,因為它們能提高系統(tǒng)效率并且減少電池充電時間。不過,盡管800 V的母線電壓能夠降低回路電流,但設(shè)計一套高效的、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部分,下周我們將發(fā)布第八部分。


來源:安森美



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:


來電!物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電源設(shè)計指南

仿真看世界之SiC單管的開關(guān)特性

依然缺貨,銷售額飆升:汽車MCU的市場走勢,你看懂了嗎?

如何設(shè)計可靠性更高、尺寸更小、成本更低的高電壓系統(tǒng)解決方案

分立式CoolSiC MOSFET的寄生導(dǎo)通行為研究

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉