基于兆易創(chuàng)新GD32F303系列的高頻DC/DC變換器解決方案

來(lái)源：兆易創(chuàng)新| 發(fā)布日期：2023-11-06 17:24

車(chē)載充電器（OBC）是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的重要組成部分(HEV)。OBC通常由一個(gè)AC/DC(功率因數(shù)校正電路)和一個(gè)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，如下圖所示：

典型兩級(jí)式OBC架構(gòu)

隨著電池容量的增加，OBC需要設(shè)計(jì)更高的功率。與OBC的功率容量越來(lái)越大相反的是，由于車(chē)內(nèi)空間和冷卻能力有限，因此功率密度和效率等規(guī)格也越來(lái)越高。高效率和高功率密度成為OBC的兩個(gè)關(guān)鍵要求。寬帶隙(WBG)功率器件的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，例如碳化硅(SiC)器件和氮化鎵(GaN)器件，因其更高的開(kāi)關(guān)速度、更低的開(kāi)關(guān)損耗以及更低的導(dǎo)通電阻溫度依賴(lài)性，在很多場(chǎng)合已經(jīng)成為傳統(tǒng)硅(Si)器件的優(yōu)越替代品。

系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CLLC(電容-電感-變壓器-電感-電容)電路拓?fù)?，具有?duì)稱(chēng)諧振腔和軟開(kāi)關(guān)特性以及更高頻率工作的能力，是實(shí)現(xiàn)OBC高效、高功率密度的良好選擇。CLLC拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)、控制和實(shí)施架構(gòu)，如下圖所示：

CLLC隔離DC/DC拓?fù)浼軜?gòu)

采用GD32F303RCT6微控制器：得益于HRPWM定時(shí)與ADC采樣的高精度，使得CLLC將設(shè)計(jì)頻率提高到500kHz在數(shù)字控制的可實(shí)現(xiàn)性上，變成了可能，從而為整機(jī)系統(tǒng)的高功率密度和高效率綜合優(yōu)化提供了控制保障

GD32F303精準(zhǔn)的PWM邊沿控制：采用無(wú)傳感器的同步整流控制技術(shù)，可進(jìn)一步減少整機(jī)的硬件成本。

獨(dú)有專(zhuān)利支撐的平面磁集成優(yōu)化方案：有效提升了整機(jī)系統(tǒng)效率，同時(shí)磁性元件采用PCB繞組減少了人工繞制變壓器的人力成本。

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)規(guī)格如下表所示：

但是與傳統(tǒng)的移相全橋、不對(duì)稱(chēng)LLC拓?fù)湎啾?，CLLC諧振變換器存在兩個(gè)諧振電感與一個(gè)變壓器，占據(jù)整個(gè)車(chē)載充電器體積的25%以上，這嚴(yán)重影響了變換器功率密度，因此減小磁性元件的體積成為提高車(chē)載充電器功率密度的一種重要方法，前述提高開(kāi)關(guān)頻率可以有效減小磁性元件的體積，但由于磁芯材料和功率器件限制，通過(guò)無(wú)限制的抬升開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小磁性元件體積的做法并不可取。

另一個(gè)提高功率密度的方法是使用磁集成技術(shù)，將同一個(gè)變換器中的多個(gè)磁性元件以電磁場(chǎng)基本理論為約束集成在一付磁芯上，如在CLLC拓?fù)渖希瑢⒃呺姼?、變壓器、副邊電感集成至一個(gè)磁芯中，同時(shí)結(jié)合寬禁帶器件的使用，可以將整體設(shè)計(jì)體積壓縮至一個(gè)非?？捎^的體積內(nèi)。

繞線式與平面集成變壓器示意圖

而在效率的提升方面，除了使用性能更好的寬禁帶器件外，磁性元件的損耗優(yōu)化也是一個(gè)突破方向，使用PCB銅箔作為繞組配合平面變壓器的使用，相對(duì)傳統(tǒng)利茲線繞制的變壓器在損耗、散熱性能上均存在較大優(yōu)勢(shì)，且自定義設(shè)計(jì)的磁芯在各種體積要求的工況均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3kW雙向CLLC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

無(wú)傳感器同步整流策略

原副邊調(diào)制策略分別為：原邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率來(lái)自閉環(huán)控制的計(jì)算結(jié)果，控制調(diào)頻實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制；同步整流控制策略為：副邊同步整流信號(hào)的上升沿與原邊信號(hào)一致，下降沿由控制器實(shí)時(shí)計(jì)算出的副邊管導(dǎo)通時(shí)間控制。