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最大化OBC性能并最小化其尺寸

 

要了解這兩個(gè)拓?fù)溥x項(xiàng)如何影響OBC的大小和性能，讓我們進(jìn)一步將范圍限制在電池充電階段（即G2V），考慮如何通過提供開關(guān)的最大電池功率來最大程度地減少充電時(shí)間可以忍受。例如，請(qǐng)考慮以下操作條件下的開關(guān)：

 

PDISS = 20W

ϑJA = 3°C / W

TA = 65°攝氏度

 

根據(jù)等式1，開關(guān)的TJ = 125°C：

 

TJ = PDISS⋅ϑJA + TA（1）

 

此設(shè)計(jì)中的開關(guān)不能承受超過125°C的溫度。因此，這種情況代表了OBC在不影響開關(guān)的情況下可以提供給電池的最高功率水平。目的是最大程度地減少開關(guān)中的功耗并盡快給電池充電。

 

驅(qū)動(dòng)開關(guān)功率損耗的主要因素有兩個(gè)：均方根（RMS）電流和開關(guān)保持零電壓開關(guān)（ZVS）的能力。

 

德州儀器（TI）的GaN開關(guān)具有低電容，快速導(dǎo)通和關(guān)斷的特性，因此該轉(zhuǎn)換器能夠以比硅更高的開關(guān)頻率工作。更高頻率的操作直接影響電抗組件的尺寸，并導(dǎo)致變壓器，電感器和電容器更小。首先，為DAB和CLLLC建立基線設(shè)計(jì)，然后探索電路增強(qiáng)功能，以擴(kuò)展轉(zhuǎn)換器的ZVS范圍。

 

基準(zhǔn)DAB和CLLLC性能比較

 

表1概述了OBC的基本要求。

 

為DAB和CLLLC創(chuàng)建詳細(xì)的設(shè)計(jì)有助于確定最可行的設(shè)計(jì)。這樣做的過程超出了本討論的范圍。但是，電路仿真最適合于充分估算開關(guān)中的損耗并驗(yàn)證是否符合整體功能。將模擬器配置為在不同的功率水平以及輸入和輸出電壓下以批處理模式運(yùn)行，并測試了不同的DAB和CLLLC電感器，電容器以及匝數(shù)比值。在每次模擬運(yùn)行中，收集有關(guān)VIN，VOUT，開關(guān)功率，RMS電流和開關(guān)ZVS條件等參數(shù)的數(shù)據(jù)。表2總結(jié)了兩種優(yōu)化的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

 

DAB和CLLLC設(shè)計(jì)元素表

 

圖5說明了顯著的仿真結(jié)果。雖然每個(gè)拓?fù)渲杏邪藗€(gè)開關(guān)，但這些圖僅繪制了功率損耗最高的開關(guān)。對(duì)于每個(gè)開關(guān)，都有三個(gè)圖。首先是總損耗。第二個(gè)是通過該開關(guān)的RMS電流。最右邊的第三張圖顯示了給定的GaN開關(guān)導(dǎo)通時(shí)最壞情況的漏極-源極電壓。該電壓越高，該開關(guān)的損耗就越大。因此，開關(guān)的RMS電流及其保持ZVS的能力代表了設(shè)備功耗的最大部分。

 

圖5 仿真結(jié)果顯示RMS和ZVS基準(zhǔn)CLLLC和DAB的條件。

 

有了這些事實(shí)并仔細(xì)檢查了數(shù)據(jù)，很明顯CLLLC能夠在更廣泛的操作范圍內(nèi)維持ZVS。因此，增強(qiáng)型ZVS可以降低CLLLC開關(guān)的功耗。話雖如此，DAB在6.6 kW的工作功率下具有出色的性能，這歸功于良好的ZVS和在大多數(shù)范圍內(nèi)減小的RMS電流。這些觀察結(jié)果表明，正在尋找一種在不對(duì)RMS電流產(chǎn)生不利影響的情況下改善ZVS的方法。

 

用換向電感器改善ZVS

 

圖6和圖7顯示了與圖3和圖4相同的CLLLC和DAB電路，并在拓?fù)渲刑砑恿祟~外的電感器（以黃色突出顯示），以提供在較寬的工作范圍內(nèi)維持ZVS所需的額外電流?，F(xiàn)在，考慮一種情況，這些額外的電感器一直都在工作。

 

圖6 示意圖顯示了帶有換向電感的CLLLC。

 

圖7 示意圖顯示了帶有換向電感的DAB。

 

表3列出了新電感的值，并為方便起見重復(fù)了其他參數(shù)。

 

表3具有換向電感器（LC）值的DAB和CLLLC設(shè)計(jì)

 

圖8顯示了重復(fù)圖5中的仿真后的結(jié)果。

 

圖8 每個(gè)電路的RMS和ZVS結(jié)果顯示了LC的影響。

 

在這種情況下，請(qǐng)注意，DAB能夠在整個(gè)工作條件范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整的ZVS。 GaN開關(guān)的VDS在接通時(shí)始終為0V的事實(shí)清楚地說明了這一點(diǎn)。 CLLLC雖然未實(shí)現(xiàn)完整的ZVS，但能夠?qū)崿F(xiàn)顯著改進(jìn)的ZVS。但是，還請(qǐng)注意，ZVS的改進(jìn)以兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的RMS電流為代價(jià)。僅從功率損耗來看，似乎DAB轉(zhuǎn)換器在大多數(shù)范圍內(nèi)都具有優(yōu)勢(shì)。

 

請(qǐng)先將圖8與圖5進(jìn)行比較，您會(huì)注意到，在某些條件下，換向電感器實(shí)際上會(huì)使損耗更糟。這就引出了一個(gè)問題——是否有可能創(chuàng)建一種混合方法，使您能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖5和圖8所示的最低損失？

 

最大程度地減少損失

 

換向電感器保持ZVS的更大范圍的工作條件。當(dāng)轉(zhuǎn)換器無法維持ZVS時(shí)，這將帶來巨大的好處。換向電感器的問題在于，只有在否則會(huì)丟失ZVS的情況下，它才能改善損耗。如果轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在ZVS中，則換向電感器會(huì)增加電流，這會(huì)導(dǎo)致開關(guān)中的更多損耗。

 

這種思考過程導(dǎo)致了對(duì)混合方法的探索，在這種方法中，換向電感器在較重的負(fù)載下保持關(guān)閉狀態(tài)，而在較輕的負(fù)載下接通。圖9顯示了使用這種方法重復(fù)進(jìn)行仿真之后的結(jié)果，這使設(shè)計(jì)能夠利用每種拓?fù)湓谥剌d下的較低RMS電流和自然ZVS能力。

 

我小心地僅增加了足夠的換向電感和工作時(shí)間，以適合開關(guān)的熱范圍，以防止不必要的RMS電流流到開關(guān)或不必要的解決方案尺寸。請(qǐng)注意，DAB轉(zhuǎn)換器在工作范圍內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)完整的ZVS。 ZVS條件已大大改善，但只需要保持在前面討論的20 W開關(guān)目標(biāo)之內(nèi)即可。

 

圖9 使用混合方法的RMS和ZVS結(jié)果。

 

為了更好地可視化，圖10總結(jié)了每種情況下的功率損耗。您可以看到，DAB轉(zhuǎn)換器在開關(guān)的功率損耗方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

 

圖10每種情況下的功率損耗摘要有助于直觀地權(quán)衡取舍。

 

為了更好地說明這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的性能，圖11重新格式化并繪制了圖10所示的數(shù)據(jù)。該圖顯示了每個(gè)轉(zhuǎn)換器可以提供的最大功率，假設(shè)開關(guān)不能安全地耗散超過20 W的功率。請(qǐng)記住，20 W是開關(guān)可以承受的最大損耗，并且仍將結(jié)溫保持在125°C以下。

 

圖11該圖顯示了每個(gè)轉(zhuǎn)換器可以提供的最大功率。

 

CLLLC或DAB更好嗎？

 

如圖11中的藍(lán)線高于紅色的事實(shí)所證明，與CLLLC相比，DAB轉(zhuǎn)換器可在整個(gè)范圍內(nèi)提供更多的功率。這使人們很容易假設(shè)DAB是明顯的贏家。但是，請(qǐng)記住最小的尺寸和重量這是OBC的核心要求。 DAB轉(zhuǎn)換器需要兩個(gè)額外的電感器，而CLLLC僅需要一個(gè)。 我認(rèn)為，這使CLLLC獲勝。

 

像工程學(xué)中的大多數(shù)事物一樣，最好的選擇幾乎總是要權(quán)衡需求。 巨大的優(yōu)勢(shì)是免費(fèi)提供的，這種情況很少見，在這種情況下也是如此。 對(duì)我而言，CLLLC似乎好于DAB，因?yàn)樗坪蹙哂忻黠@的尺寸優(yōu)勢(shì)。

 

（來源：TI，作者：Brent McDonald是TI系統(tǒng)和應(yīng)用經(jīng)理）