车载充电器的拓扑结构和技术建议

近年来，电动汽车的数量，例如纯电动汽车 (BEV) 或插电式混合动力汽车 (PHEV)，在全球范围内不断增长。除了许多吸引人的因素（例如，较低的碳足迹和较低的维护成本）之外，目前每次充电可达到的最大续航里程仍会引发最终用户的一些怀疑。毫无疑问，电动汽车的吸引力取决于电池。这些车辆的普及和适应以及该细分市场的增长潜力在于高度可靠和持久的电池性能。电池性能以及耐用性高度依赖于充电技术和方法。在本文中，我们更深入地研究了车载充电系统架构，并详细阐述了 PFC 和 DC-DC 级最流行的拓扑结构。

经典升压 PFC

实现功率因数校正功能的最简单拓扑是使用简单的升压转换器拓扑，如图 1 所示。这种拓扑也称为经典 PFC 或经典升压 PFC。该电路由交流输入侧的高频开关和二极管、电感器和二极管桥式整流器组成。在直流输出端，通常使用缓冲电容来稳定输出电压。实现高功率因数的最常见工作模式是连续导通模式 (CCM)，它通过开关和二极管之间的电流硬换向来实现。这种拓扑提供了从交流输入到直流输出的单向功率流。

图 1：升压 PFC 的工作原理（暗示 S1 两端的二极管，但为了更好地理解工作原理而省略）

由于硬换向，一个要求是半导体可以承受连续换向。因此，合理的选择是使用符合汽车标准的 CoolSiC™ 肖特基二极管 650 V Gen5 器件用于位置“D1”，同时各种开关适合作为 PFC 级中的电源开关。例如，英飞凌通过汽车认证的 TRENCHSTOP™ AUTO 5 IGBT 提供具有 650 V 击穿电压的高速开关能力。这些 IGBT 可用作单个 IGBT 或带有集成反并联 Si 或 SiC 二极管的 IGBT。如果选择的器件是单个 IGBT，我们建议在集电极和发射极节点之间使用一个小的反并联 PN 二极管，以避免 IGBT 上出现负电压尖峰。当目标是在简单的 PFC 拓扑中实现最高效率时，我们建议使用 MOSFET 而不是 IGBT。最新的汽车 CoolMOS™ 一代 CoolMOS™ CFD7A 与用作对应物的 SiC 二极管完美匹配拓扑。与 IGBT 相比，该 MOSFET 的优势在于通道中的电阻行为，不受尾电流影响，并且在温度范围内提供更低的开关损耗。所有这些优势都转化为更低的功率损耗，从而带来更高的转换效率。

在这种拓扑结构中也可以使用宽带隙晶体管；然而，这不会带来显着的好处，因为由于拓扑的自然性能，无法充分利用 SiC 和 GaN 晶体管。

图 2：单相车载充电器功率因数校正级示例：a) 带有集成 SiC 二极管的 IGBT，b) 带有外部保护二极管的单 IGBT，c) CoolMOS™ CFD7A（带有固有体二极管）

图腾柱PFC

双向车载充电器的常见拓扑结构是所谓的图腾柱 PFC（图 3）。在这种设置中，所有二极管都被有源功率开关取代，以实现双向功率流能力。使用有源开关代替二极管的另一个优点是效率提高。尽管如此，这种修改也增加了复杂性，因为必须在电路内控制更多的开关。

图 3：图腾柱 PFC 拓扑

图腾柱 PFC 由一个快速开关支路（“S1”和“S2”）和一个慢速开关支路（“S3”和“S4”）组成。“S1”和“S2”需要能够承受负载电流在两个有源开关之间高频硬换向的半导体。因此，“S1”和“S2”的最佳选择是使用 TRENCHSTOP™ H5 IGBT 或 CoolSiC™ MOSFET。慢速开关支路（“S3”和“S4”）中的开关实现了相位整流功能。因此，它们在交流输入的零交叉（零电压开关）期间以交流频率打开和关闭。

图 4：图腾柱 PFC，带有 a) IGBT，b) SiC MOSFET，c) 带有 IGBT 和 CoolMOS™ CFD7A（作为相位整流器）

实现图腾柱 PFC 的一种常见方法是在“S1”、“S2”、“S3”和“S4”位置使用 IGBT 开关。英飞凌的高速 TRENCHSTOP™ 5 IGBT 是车载充电器系统的最佳 IGBT 选择。CoolMOS™ CFD7A 推荐用于慢速开关半桥（“S3”和“S4”）以进一步提高效率。由于交流频率下的软开关特性，将超级结 MOSFET 设计到相位整流支路是可能的。由于具有超低反向恢复电荷，因此使用四个 CoolSiC™ MOSFET 可以实现硬开关图腾柱 PFC。CoolSiC™ MOSFET 的另一个优势是其 1200 V 的击穿电压水平，可支持更高的直流链路电压（650 V 以上）。

移相全桥 (PSFB)

一种常用的 DC-DC 拓扑是所谓的移相全桥（图 5），由 DC-DC 转换器初级侧的全桥、谐振电感器、隔离变压器和整流器组成二次侧。基于这种拓扑的最先进的车载充电器使用基于硅或碳化硅的 MOSFET。由于紧凑型 DC-DC 转换器的高开关频率要求，IGBT 不适合这种拓扑。

图 5：在次级侧包含二极管的相移全桥拓扑

这种拓扑的一个显着优势是它的高效率，因为它可以在很宽的负载范围内以软开关方式运行。这意味着存储在 MOSFET 寄生电容中的能量可以被回收利用，从而降低功率损耗、减少热耗散并提高转换效率。初级侧的附加电感器 (L r) 确保 MOSFET 的软开关。尽管如此，由于这种拓扑的固有特性，无法在整个输出范围内为所有 MOSFET 实现全 ZVS。通常，不同 MOSFET 的硬开关发生在轻负载条件下（当谐振能量不足以维持 ZVS 时）。这种硬开关现象也是英飞凌推荐具有快速二极管特性的硅 MOSFET（例如 CoolMOS™ CFD7A）或宽带隙 MOSFET（例如 CoolSiC™ 系列）用于汽车应用以确保长期可靠运行的原因。

这种拓扑结构的另一个优点是，与 LLC 转换器相比，控制工作量相对较低。功率流的调节是通过控制两个半桥臂之间的相移来实现的，而无需修改频率或占空比。此外，PSFB 拓扑能够实现比 LLC 转换器更宽的转换比。

次级侧的任务是对初级侧传输的能量进行整流。有几种方法可以实现这一点。一种方法是使用全桥整流（如图 5 所示）或中心抽头变压器。对于这两种变体，二极管或有源 MOSFET 是最常见的选择。

图 6：用于双向使用的移相全桥拓扑

如果 DC-DC 的次级侧使用有源开关，并且应用了适当的控制策略，则移相全桥拓扑也可用于双向车载充电器。图 6 说明了双向 PSFB 的概念。如图所示，无需进一步修改硬件组件即可支持双向功率流。

LLC拓扑

LLC 拓扑是实现最高转换效率的理想选择。与 PSFB 相比，LLC 拓扑允许实现更高的效率，从而降低操作期间的损耗，并实现更高的功率密度转换器。车载充电器中使用的大部分 LLC 转换器都是全桥 LLC 转换器。初级侧的全桥配置有助于减少通过电源开关的电流，因为与半桥 LLC 转换器相比，变压器的初级侧绕组驱动的电压高两倍。由于双倍电压，对于给定的变压器尺寸，可以传输双倍的功率。尽管如此，

精心设计的 LLC 拓扑的另一个优势是可以在整个负载范围内实现 ZVS。然而，MOSFET 的硬开关很容易在启动时和仅在某些临界条件下（即“电容模式”操作）发生。因此，我们建议使用具有快速体二极管和出色换向坚固性的 MOSFET，以确保长期可靠性。

除了优点之外，LLC 拓扑还有一个缺点：功率流是通过可变频率而不是脉宽调制控制信号的可变占空比来控制的。由于所需的频率范围，EMI 滤波器的设计可能会变得更具挑战性。此外，LLC 转换器的并行级同步变得更加复杂，因为很难规定电流共享。此外，LLC 拓扑的转换率有限。

图 7 显示了车载充电器中使用的典型全桥 LLC 转换器，其中转换器的次级侧也设计为全桥。

图 7：用于单向操作的全桥 LLC 转换器（在次级侧具有有源同步整流）

结论

电动汽车的吸引力取决于电池。半导体技术的进步需要实现更高的效率和最佳性能，使电动汽车成为传统交通工具的方便和环保的替代品。为了满足当代 OBC 设计的设计要求，当今有多种拓扑结构和技术可供使用。因此，任务是在这些之间进行完美匹配。

审核编辑：郭婷