電動(dòng)汽車(chē)用非車(chē)載充電樁后級DC模塊設計與實(shí)現

1 研究背景

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源危機已成為全球性挑戰。為應對該挑戰，世界各國紛紛加快推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。建立完善的電動(dòng)汽車(chē)充電基礎服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)才能得到更快速的發(fā)展[1-3]。然而，電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)題。因此，需要進(jìn)一步加強電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，從而為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更好的支持。DC 模塊作為非車(chē)載充電樁中重要的一環(huán)，在發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中起著(zhù)關(guān)鍵作用。本文以非車(chē)載充電樁后級DC 模塊為研究對象，對其主電路拓撲、硬件電路進(jìn)行研究設計。

2 基于碳化硅的大功率儲能電源模塊主電路設計

2.1 DC/DC模塊技術(shù)指標

本文研究對象是非車(chē)載充電樁后級DC/DC 模塊，其技術(shù)指標如表1 所示。

2.2 DC/DC模塊主電路結構

本文選用Boost-Buck 變換器作為主電路拓撲，為實(shí)現表1 所述的DC/DC 模塊技術(shù)指標，采用4 路Boost-Buck 變換器并聯(lián)輸出，主電路結構如圖1 所示。

圖1 四路Boost-Buck電路并聯(lián)輸出主電路圖

2.3 功率電路設計與選型

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

2.3.1 功率開(kāi)關(guān)管和續流二極管的選型

根據表1 技術(shù)指標可知，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，選用英飛凌IMZ120R060M1H 型號開(kāi)關(guān)管作為功率管。

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

3）Buck、Boost 續流二極管：Buck 續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 型號二極管作為續流二極管。

2.3.2 電感的設計

電感在非車(chē)載充電樁DC 模塊中實(shí)現能量傳輸與濾波功能。

1）選取磁芯材料

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

2）電感感量計算

由表1 技術(shù)指標，設電流紋波率r = 2 ，效率η =0.98 ，開(kāi)關(guān)頻率f = 100 kHz 。

Boost 感量計算：Boost 電感應在輸入電壓最小時(shí)設計，輸入最大電壓為500 V，最大輸出電壓為800 V，根據最大占空比可求得：

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 模塊硬件設計

DC 模塊控制系統主要由主控制芯片DSP、ADC 采樣電路、PWM 驅動(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)介紹采樣電路及驅動(dòng)電路設計。

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(guò)壓保護，分別對應Boost 輸入電壓過(guò)壓保護，Boost 輸出母線(xiàn)電壓過(guò)壓保護，Buck 輸出電壓過(guò)壓保護。

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(guò)流保護電路原理相同。如圖3所示，Boost 平均電感電流采樣通過(guò)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(guò)與基準電流比較，最后通過(guò)比較器輸出至DSP 的ADC 口。

圖3 Boost過(guò)流保護圖

3.3 驅動(dòng)電路及通信電路設計

由于數字控制芯片DSP 輸出的PWM 信號達不到驅動(dòng)MOSFET 所需的功率大小，所以對DC 模塊來(lái)說(shuō)功率開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電路的設計必不可少。Buck、Boost 電路兩個(gè)驅動(dòng)MOSFET 電路相同，均以推挽電路作為驅動(dòng)電路核心。本設計中的通信系統采用CAN 通信方式，選用ISO1050DWR 芯片作為通信芯片。

4 實(shí)驗結果與分析

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(mǎn)載電壓紋波波形圖。由圖可計算得知輸出紋波0.49%；輸出電流紋波3.6%。滿(mǎn)足設計要求。

圖4 輸入800 V、輸出800 V電壓紋波、電流紋波波形圖

4.2 開(kāi)關(guān)管、續流二極管應力波形及分析

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

圖5 Boost、Buck電路開(kāi)關(guān)管和續流二極管電壓應力

Boost 開(kāi)關(guān)管DS 兩端最大電壓值為1 050 V，Buck開(kāi)關(guān)管DS 兩端最大電壓值為1 010 V。Boost 續流二極管兩端最大電壓值為1 020 V，Buck 續流二極管兩端最大電壓值為1 000 V。1 200 V 的開(kāi)關(guān)管與續流二管電壓應力滿(mǎn)足設計要求。

5 結束語(yǔ)

本文基于一路Boost-Buck 變換器來(lái)研究非車(chē)載充電樁后級DC 模塊。根據DC 模塊系統技術(shù)指標，提出了采用4 路Boost-Buck 變換器并聯(lián)輸出構成DC 模塊模塊主要拓撲，對變換器主電路功率器件進(jìn)行選型和設計；根據本文非車(chē)載充電樁 DC/DC 系統設計指標對系統進(jìn)行硬件電路設計；搭建DC 模塊實(shí)驗平臺，利用實(shí)驗平臺對主電路波形進(jìn)行了分析，驗證了系統滿(mǎn)足設計指標的要求。

參考文獻：

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

[2] 徐秋瑩,宴合敏.低碳設計背景下的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略[J].企業(yè)經(jīng)濟,2011,1.

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

[4] SANJAYA M.精通開(kāi)關(guān)電源設計[M].北京:人民郵電出版社,2008,10.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）