電動(dòng)汽車用非車載充電樁后級(jí)DC模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機(jī)已成為全球性挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，世界各國紛紛加快推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。建立完善的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)才能得到更快速的發(fā)展[1-3]。然而，電動(dòng)汽車的充電裝置仍存在很多不足之處，例如充電站覆蓋率低、充電效率低等問題。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)電動(dòng)汽車充電技術(shù)的研究和開發(fā)，從而為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更好的支持。DC 模塊作為非車載充電樁中重要的一環(huán)，在發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)中起著關(guān)鍵作用。本文以非車載充電樁后級(jí)DC 模塊為研究對(duì)象，對(duì)其主電路拓?fù)?、硬件電路進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

2 基于碳化硅的大功率儲(chǔ)能電源模塊主電路設(shè)計(jì)

2.1 DC/DC模塊技術(shù)指標(biāo)

本文研究對(duì)象是非車載充電樁后級(jí)DC/DC 模塊，其技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

2.2 DC/DC模塊主電路結(jié)構(gòu)

本文選用Boost-Buck 變換器作為主電路拓?fù)?，為?shí)現(xiàn)表1 所述的DC/DC 模塊技術(shù)指標(biāo)，采用4 路Boost-Buck 變換器并聯(lián)輸出，主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 四路Boost-Buck電路并聯(lián)輸出主電路圖

2.3 功率電路設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)Boost-Buck 變換器基本工作原理及后級(jí)DC模塊的技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)行變換器的主要元器件的選型與設(shè)計(jì)，本文重點(diǎn)分析功率開關(guān)管、續(xù)流二極管及電感的選型。

2.3.1 功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的選型

根據(jù)表1 技術(shù)指標(biāo)可知，每路輸入最大電壓、電流為900V、30A，每路輸出最大電壓、電流為920 V、32.5 A。

1）Boost 功率管：選擇1 200 V 的耐壓等級(jí)，選用英飛凌IMZ120R060M1H 型號(hào)開關(guān)管作為功率管。

2）Buck 功率管：選擇1 200 V 的耐壓等級(jí)，選用英飛凌IMZ120R045M1 型號(hào)開關(guān)管作為功率管。

3）Buck、Boost 續(xù)流二極管：Buck 續(xù)流二極管電壓額定值900 V，考慮1% 的電壓波動(dòng)909 V，再考慮1.5倍余量1 363.5 V；Boost 續(xù)流二極管電壓額定值由輸出電壓決定920 V，考慮1%的電壓波動(dòng)909.2 V，再考慮1.5倍裕量1 363.8 V；選擇英飛凌IDWD20G120C5B 型號(hào)二極管作為續(xù)流二極管。

2.3.2 電感的設(shè)計(jì)

電感在非車載充電樁DC 模塊中實(shí)現(xiàn)能量傳輸與濾波功能。

1）選取磁芯材料

鐵氧體磁導(dǎo)率較高且很具有很好的穩(wěn)定性且電導(dǎo)率高且發(fā)熱小^[4]。選擇型號(hào)PQ5050 作為電感的磁芯。

2）電感感量計(jì)算

由表1 技術(shù)指標(biāo)，設(shè)電流紋波率r = 2 ，效率η =0.98 ，開關(guān)頻率f = 100 kHz 。

Boost 感量計(jì)算：Boost 電感應(yīng)在輸入電壓最小時(shí)設(shè)計(jì)，輸入最大電壓為500 V，最大輸出電壓為800 V，根據(jù)最大占空比可求得：

所以Boost 最小電感感量為：

因此選取Boost 感量30 μH。

同理Buck 感量也選取30 μH。

3 模塊硬件設(shè)計(jì)

DC 模塊控制系統(tǒng)主要由主控制芯片DSP、ADC 采樣電路、PWM 驅(qū)動(dòng)電路、通信電路、主動(dòng)泄放電路以及溫度檢測電路等六個(gè)基本單位組成。本文選用的控制芯片是TI 公司32 位DSP TMS320F280049PZQR。本文重點(diǎn)介紹采樣電路及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

3.1 電壓采樣電路

圖2中有3個(gè)電阻分壓采集電壓做過壓保護(hù)，分別對(duì)應(yīng)Boost 輸入電壓過壓保護(hù)，Boost 輸出母線電壓過壓保護(hù)，Buck 輸出電壓過壓保護(hù)。

圖2 電阻分壓式采集電壓圖

3.2 電流采樣電路

Boost、Buck 兩種過流保護(hù)電路原理相同。如圖3所示，Boost 平均電感電流采樣通過串聯(lián)電阻采集電流至控制芯片DSP 的ADC 口，Boost 平均電感電流限值通過與基準(zhǔn)電流比較，最后通過比較器輸出至DSP 的ADC 口。

圖3 Boost過流保護(hù)圖

3.3 驅(qū)動(dòng)電路及通信電路設(shè)計(jì)

由于數(shù)字控制芯片DSP 輸出的PWM 信號(hào)達(dá)不到驅(qū)動(dòng)MOSFET 所需的功率大小，所以對(duì)DC 模塊來說功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必不可少。Buck、Boost 電路兩個(gè)驅(qū)動(dòng)MOSFET 電路相同，均以推挽電路作為驅(qū)動(dòng)電路核心。本設(shè)計(jì)中的通信系統(tǒng)采用CAN 通信方式，選用ISO1050DWR 芯片作為通信芯片。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 輸出電壓、電流波形及分析

圖4 為輸入800 V、輸出800 V滿載電壓紋波波形圖。由圖可計(jì)算得知輸出紋波0.49%；輸出電流紋波3.6%。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 輸入800 V、輸出800 V電壓紋波、電流紋波波形圖

4.2 開關(guān)管、續(xù)流二極管應(yīng)力波形及分析

Boost 電路開關(guān)管與續(xù)流二極管最大應(yīng)力是由輸入電壓決定；Buck 電路開關(guān)管與續(xù)流二極管最大應(yīng)力是由輸出電壓決定。在DC 模塊運(yùn)行10 kW 工況下，Boost 電路升壓至最高母線電壓970 V，輸出最大920 V時(shí)可測得開關(guān)管、續(xù)流二極管最大應(yīng)力如圖5。

圖5 Boost、Buck電路開關(guān)管和續(xù)流二極管電壓應(yīng)力

Boost 開關(guān)管DS 兩端最大電壓值為1 050 V，Buck開關(guān)管DS 兩端最大電壓值為1 010 V。Boost 續(xù)流二極管兩端最大電壓值為1 020 V，Buck 續(xù)流二極管兩端最大電壓值為1 000 V。1 200 V 的開關(guān)管與續(xù)流二管電壓應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文基于一路Boost-Buck 變換器來研究非車載充電樁后級(jí)DC 模塊。根據(jù)DC 模塊系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，提出了采用4 路Boost-Buck 變換器并聯(lián)輸出構(gòu)成DC 模塊模塊主要拓?fù)?，?duì)變換器主電路功率器件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)；根據(jù)本文非車載充電樁 DC/DC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)；搭建DC 模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)主電路波形進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝明潔.電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].中國科技信息,2013(22):120-122.

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[3] 李立理,張義斌,周原冰,等.我國發(fā)展電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施若干問題分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟(jì),2011,23(1):6-10.

[4] SANJAYA M.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2008,10.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）