Clllc和DAB电力阶段为EV板上的充电器进行比较
文章：布伦特麦当劳
促进EV内部电网和高压电池之间的接口需要隔离的DC / DC功率级：两个流行的选择是Clllc和DAB拓扑。
为了优化电动车辆（EVS）的电力，车载充电器（OBC）必须高效，重量轻，尺寸小。更轻的EV也需要更少的动力来移动车辆，这增加了整体效率。
OBC需要支持适当的网格到车辆（G2V）电压和电流电池充电算法;因此，它用作电网和EV之间的功率调节接口（图1）。此外，它必须能够从车辆到网格（V2G）提供电力，使得EV可以补充可能具有波动峰值容量的可再生能源。
图1OBC需要支持适当的网格到车辆（G2V）电压，并从车辆到网格（V2G）提供电力。
促进EV内部电网和高压电池之间的界面需要电磁干扰（EMI）滤波器，功率因数校正（PFC）和隔离的DC / DC功率级。图2.说明了这个架构。
图2.该简化的示意图显示了OBC如何用作电网和电池之间的界面。
该讨论的范围仅限于DC / DC阶段。从本文的写作中，DC / DC级的两个流行选择是电容器电感 - 电感器 - 电感电容器（CLLLC）和双极桥（DAB）拓扑（图3.和4.）。两种选项都可以实现小的解决方案尺寸，并提供必要的G2V和V2G电源需求。
图3.该示意图显示了CLLLC的基本拓扑。
图4.DAB拓扑显示在该示意图中。
最大化OBC性能并最大限度地减少其尺寸
T.o understand how these two topology options can affect the size and performance of the OBC, let’s further limit the scope to the battery-charging phase of operation, or G2V, considering how to minimize the charging time by providing the maximum battery power that the switches can tolerate. For example, consider a switch under the following operating conditions:
- P.diss= 20 W.
- θ.贾= 3°C / W.
- T.一种= 65°C
开关将有一个T.j= 125°C，根据等式1：
T.j= P.diss⋅Θ.贾+ T.一种（1）
该设计中的开关不能耐受高于125°C的温度;因此，该条件代表了OBC可以在不影响交换机的情况下为电池提供的最高功率电平。目标是最小化开关中的功耗并尽快充电。
两个主要因素驱动开关中的大部分功率损耗：根均值方形（RMS）电流和开关维护零电压切换（ZVS）的能力。
考虑到它们的低电容和快速接通和关闭特性，德州仪器的GaN交换机使转换器能够以更高的开关频率运行，而不是硅的开关频率。更高频率的操作直接影响反应部件的尺寸，并导致较小的变压器，电感器和电容器。让我们开始为DAB和CLLLC建立基线设计，然后探索电路增强，以扩展转换器的ZVS范围。
基线DAB和CLLLC性能比较
表1概述了OBC的基本要求。
表格1OBC电源要求
为DAB和CLLLC创建详细设计有助于确定最可行的坦克设计。万博投注网址这样做的程序超出了本次讨论的范围;然而，电路模拟最适合充分逼近交换机中的损耗并验证符合整体功能。我配置了模拟器以在不同的功率电平和输入和输出电压上以批处理模式运行，并测试不同的DAB和CLLLC电感器，电容器和转向比值。在每个模拟运行中，我收集了关于VIN，VOUT，开关电源，RMS电流等参数的数据，以及切换ZVS条件。表2总结了两种优化的拓扑设计。万博投注网址
表2.DAB和CLLLC优化设计万博投注网址
图5.说明了突出的仿真结果。虽然每个拓扑中有八个开关，但图表仅绘制具有最高功率损耗的开关。对于每个开关，有三个图。第一个是交换机中的总损失。第二个是通过该开关的RMS电流。在右侧的第三个曲线上，显示了在接通时给定的GaN交换机经验的最坏情况的漏极源电压。这是ZVS丢失的数量的数字;该电压越高，该开关中的损耗越大。因此，交换机的RMS电流与其维持ZVs的能力相耦合表示设备中的功率损耗的最大部分。
图5.仿真结果显示CLLLC和DAB的RMS和ZVS基线条件。
配备这些事实和对数据的仔细检查，很明显，CLLLC能够在更广泛的操作范围内保持ZV。因此，增强型ZVS负责CLLLC交换机中看到的较低功率损耗。据说，在6.6千瓦的操作中，DAB具有卓越的性能，这来自良好的ZVS，并且在大部分范围内降低了RMS电流。这些观察结果表明，寻找一种改善ZV的方法，而不会对均方根电流产生不利影响。
用换向电感改善ZVS
图6.和7.与图3和4一起显示相同的CLLLC和DAB电路，其中包含额外的电感器（以黄色突出显示）添加到拓扑中，以提供在更广泛的操作范围内维持ZV所需的额外电流。目前，考虑所有这些额外电感的情况一直运行。
图6.该示意图显示了具有换向电感的CLLLC。
图7.该示意图显示了具有换向电感器的DAB。
表3列出了新电感器的值，为方便起见，重复其他罐参数。
表3DAB和CLLLC与换向电感万博投注网址设计（LC）值
图8.在重复图5中的模拟之后显示结果。
图8.每个电路的RMS和ZVS结果显示L的影响C。
在这种情况下，请注意，DAB能够在整个操作条件范围内实现完整的ZV。这是通过v的事实清楚地说明了这一事实DS.GaN交换机始终在0V时始终处于0V。CLLLC，虽然不实现完整ZVS，但能够实现显着改善的ZV。然而，还注意到，ZVS改善对于这两个拓扑中的RMS电流都非常费用。单独查看电源损失，似乎DAB转换器具有在大部分范围内的优势。
在走得太远之前，返回和比较图8到图5，您会注意到在某些条件下，换向电感器实际使损失更差。这引出了问题 - 可以创建一个混合方法，在那里您可以实现图5和图8所示的最低损失的混合方法？
尽量减少总损失：有蛋糕，也吃它
添加换向电感器在转换器维持ZV的范围内创建更广泛的操作条件。当转换器无法维持ZVS时，这是巨大的好处。换向电感的问题是，当否则丢失ZV时，它只会提高损失。如果转换器已经处于ZVS中，则换向电感器通过增加电流损坏操作，从而导致开关中的更欧姆丢失。
该思想过程导致对混合方法的测试，其中换向电感器在较重负载下熄灭并打开较浅的负载。图9.通过这种方法重复模拟后，可以在重新载荷时设计设计，使设计能够利用每个拓扑的较低的RMS电流和天然ZVS能力。
我小心只添加足够的换向电感和操作时间以适合开关的热封，以防止不需要的RMS电流或不必要的解决方案尺寸。请注意，DAB转换器未在操作范围内实现完整ZV。ZVS条件有很大改善，但只有尽可能多地保持在先前讨论的20-W开关目标中。
图9.这些是使用混合方法的RMS和ZVS结果。
为了更好地可视化权衡，图10.总结每种情况的功率损耗。您可以看到DAB转换器在开关中的功率损耗方面具有明显的优势。
图10.每个案例的功率损耗摘要有助于可视化权衡。
为了更好地说明这两个转换器之间的性能功能，图11.重新格式化和绘制图10所示的数据。图表显示每个转换器可以提供的最大功率，假设开关不能安全地消散超过20W的功率。请记住，20 W表示开关可以容忍的最大损耗，并且仍保持125°C低于125°C的结温。
图11.此图显示每个转换器都可以提供的最大功率。
clllc还是dab更好？
如图11所示的蓝线在图11中的红色上方证明，DAB转换器可以在整个范围内提供比CLLLC更多的功率。这使得假设DAB是明确的赢家。但是，请记住，最小尺寸和重量是OBC的核心要求。DAB转换器需要两个额外的电感器，但CLLLC只需要一个。在我看来，这为Clllc提供了胜利。
像大多数工程中的东西一样，最好的事情几乎总是违反要求的权衡问题。非常罕见的是，有没有免费的优势，在这种情况下它没有什么不同。对我来说，Clllc向DAB进行了边缘，因为它看起来具有明显的优势。如果您对哪些选择更好的想法，请评论，特别是如果您不同意，以及为什么。
本文最初发布edn.。
Brent McDonald是德州仪器电源设计服务团队的系统和应用程序经理。
参考
- de Oliveira，e.f.和p. zacharias，“用于电子车辆应用的双向CLLC谐振转换器的综合模式分析和最优设计方法，第21届欧洲电力电子和应用会议（EPE'19 Ecce欧洲），2019年9月3日至5日，第1-10页。
- Krismer，F.和J.W.Kolar，“用于汽车应用的效率优化的高电流双极电桥转换器，“IEEE工业电子产品交易59，否。7（2012年7月）：PP。2745-2760。
- 德州仪器。N.D.，“氮化镓（GaN）：推动超越硅的性能，“2020年10月19日访问。
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