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25 kW SiC直流快充设计指南(第四部分):DC-DC级的设计考虑因素和仿真 ... ... ... ...

2022-5-11 09:30| 发布者: 闪电| 查看: 129| 评论: 0

摘要: 在本部分中,我们将介绍我们的工程团队遵循的一些DC-DC级的设计过程。具体而言,我们将讲解开发这种转换器的关键设计考虑因素和权衡,尤其是围绕磁性元件的定义,并讨论了电源仿真和所做的设计决策。在第四部分中, ...


总而言之,在本项目中定义LM可接受范围的最重要因素包括:最大调节速度、对IM峰值电流的影响、对次级侧电流的影响(随着LM的减小而增加)和磁体结构的可行性(紧凑)。


开关频率



根据以往设计(例如11 kW LLC转换器)中积累的经验,选择100 kHz作为开关频率。[4]该值是在相对较高的开关频率(有助于减小磁体尺寸)和过高的开关频率(会产生过高的开关损耗)之间进行的权衡。


相移法和几种选择



出于仿真的目的,在互补桥之间使用固定占空比为50%的单相移。计划在实际控制实施级评估其他相移法(例如扩展相移、双相移和三相移),作为改善系统性能的可能手段之一。



磁通平衡



磁通平衡技术旨在防止在变压器中由所谓的磁通走漏引起磁芯饱和。这种现象(又称磁通阶梯效应)的成因是,由于施加于变压器的(伏特 x 时间)净积不平衡,造成在每个开关周期中磁芯中剩余磁通的累积——在一个开关周期中它应该恰好为零。当乘积不为零时,所施加的电压波形不是纯交流的,而是含有直流偏置分量,该分量会引起剩余磁通。


(伏特 x 时间)乘积背后的不平衡可能非常细微,难以识别,例如单个半桥的占空比或RDSON本身。在小功率和中功率系统中,采用一个“隔直电容”,与初级或次级绕组串联,用来过滤直流偏置电流。在25 kW充电桩设计中,该电容的特性和要求会导致组件体积庞大或无法实现。电容值会落在几十微法的范围内,隔直电压在1000 V左右。


然而,最具挑战性和限制性的则是IPRIM,RMS和 ISEC,RMS很高,预计会介于45 A和65 A之间。合适的解决方案需要大约15到20个陶瓷电容并联,鉴于多种原因,包括尺寸、成本、布局复杂性和系统可靠性,这不切实际。一种替代方案是采用电解电容或金属化聚丙烯电容,类似于在PFC级的直流链路中所使用的电容,但这会占用PCB上的大量空间,同时也会增加BOM成本。


要实现实用、紧凑且有竞争力的设计,一种可行解决方案是防止磁通阶梯效应。这可采用多种实现方法,并且有大量讨论该主题的文献。本项目实施的解决方案是磁通平衡算法,该算法可控制和修改施加在变压器初级和次级绕组上的电压波(占空比),以使其保持平衡,从而确保平均直流电流为零。


测量初级和次级电流作为控制环路的输入,这需要额外测量变压器的初级和次级电流,而对于实际的转换器控制,仅检测输入和输出电流。另一方面,磁通平衡消除了电容需求,从而减小了尺寸和成本,并提高了系统效率。这些因素以及工程团队以前在实施这种技术方面的专业知识,都是此方法深受欢迎的主要原因。本系列文章的第五部分将提供有关实施磁通平衡控制技术的更多详细信息。



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