電動(dòng)汽車用非車載充電樁后級(jí)DC模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苓樹奇　安建珍　康學(xué)福等

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；DC模塊；Boost-Buck電路

1 研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機(jī)已成為全球性挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，世界各國紛紛加快推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。建立完善的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)才能得到更快速的發(fā)展[1-3]。然而，電動(dòng)汽車的充電裝置仍存在很多不足之處，例如充電站覆蓋率低、充電效率低等問題。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)電動(dòng)汽車充電技術(shù)的研究和開發(fā)，從而為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更好的支持。DC 模塊作為非車載充電樁中重要的一環(huán)，在發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)中起著關(guān)鍵作用。本文以非車載充電樁后級(jí)DC 模塊為研究對(duì)象，對(duì)其主電路拓?fù)洹⒂布娐愤M(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

2 基于碳化硅的大功率儲(chǔ)能電源模塊主電路設(shè)計(jì)

2.1 DC/DC模塊技術(shù)指標(biāo)

本文研究對(duì)象是非車載充電樁后級(jí)DC/DC 模塊，其技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

2.2 DC/DC模塊主電路結(jié)構(gòu)

本文選用Boost-Buck 變換器作為主電路拓?fù)洌瑸閷?shí)現(xiàn)表1 所述的DC/DC 模塊技術(shù)指標(biāo)，采用4 路Boost-Buck 變換器并聯(lián)輸出，主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2.3 功率電路設(shè)計(jì)與選型

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

2.3.1 功率開關(guān)管和續(xù)流二極管的選型

根據(jù)表1 技術(shù)指標(biāo)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(jí)，選用英飛凌IMZ120R060M1H 型號(hào)開關(guān)管作為功率管。

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

3）Buck、Boost 續(xù)流二極管：Buck 續(xù)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(xù)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(hào)二極管作為續(xù)流二極管。

2.3.2 電感的設(shè)計(jì)

電感在非車載充電樁DC 模塊中實(shí)現(xiàn)能量傳輸與濾波功能。

1）選取磁芯材料

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

2）電感感量計(jì)算

由表1 技術(shù)指標(biāo)，設(shè)電流紋波率r = 2 ，效率η =0.98 ，開關(guān)頻率f = 100 kHz 。

Boost 感量計(jì)算：Boost 電感應(yīng)在輸入電壓最小時(shí)設(shè)計(jì)，輸入最大電壓為500 V，最大輸出電壓為800 V，根據(jù)最大占空比可求得：

同理Buck 感量也選取30 μH。

3 模塊硬件設(shè)計(jì)

DC模塊控制系統(tǒng)主要由主控制芯片DSP、ADC 采樣電路、PWM 驅(qū)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

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壓保護(hù)，分別對(duì)應(yīng)Boost 輸入電壓過壓保護(hù)，Boost 輸出母線電壓過壓保護(hù)，Buck 輸出電壓過壓保護(hù)。

3.2 電流采樣電路

Boost、Buck 兩種過流保護(hù)電路原理相同。如圖3所示，Boost 平均電感電流采樣通過串聯(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與基準(zhǔn)電流比較，最后通過比較器輸出至DSP 的ADC 口。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路及通信電路設(shè)計(jì)

由于數(shù)字控制芯片DSP 輸出的PWM 信號(hào)達(dá)不到驅(qū)動(dòng)MOSFET 所需的功率大小，所以對(duì)DC 模塊來說功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必不可少。Buck、Boost 電路兩個(gè)驅(qū)動(dòng)MOSFET 電路相同，均以推挽電路作為驅(qū)動(dòng)電路核心。本設(shè)計(jì)中的通信系統(tǒng)采用CAN 通信方式，選用ISO1050DWR 芯片作為通信芯片。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)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滿載電壓紋波波形圖。由圖可計(jì)算得知輸出紋波0.49%；輸出電流紋波3.6%。滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 開關(guān)管、續(xù)流二極管應(yīng)力波形及分析

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

Boost 開關(guān)管DS 兩端最大電壓值為1 050 V，Buck開關(guān)管DS 兩端最大電壓值為1 010 V。Boost 續(xù)流二極管兩端最大電壓值為1 020 V，Buck 續(xù)流二極管兩端最大電壓值為1 000 V。1 200 V 的開關(guān)管與續(xù)流二管電壓應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文基于一路Boost-Buck 變換器來研究非車載充電樁后級(jí)DC 模塊。根據(jù)DC 模塊系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，提出了采用4 路Boost-Buck 變換器并聯(lián)輸出構(gòu)成DC 模塊模塊主要拓?fù)洌瑢?duì)變換器主電路功率器件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)；根據(jù)本文非車載充電樁 DC/DC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)；搭建DC 模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)主電路波形進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。