【導(dǎo)讀】在“開發(fā)基于碳化硅的25 kW快速直流充電樁”[1-3] 系列的這篇新文章中，我們聚焦DC-DC雙有源相移全橋(DAB-PS)零電壓開關(guān)(ZVS)轉(zhuǎn)換器，其簡(jiǎn)介和部分描述參見第二部分。
在本部分中，我們將介紹我們的工程團(tuán)隊(duì)遵循的一些DC-DC級(jí)的設(shè)計(jì)過(guò)程。具體而言，我們將講解開發(fā)這種轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素和權(quán)衡，尤其是圍繞磁性元件的定義，并討論了電源仿真和所做的設(shè)計(jì)決策。在第四部分中，我們還將討論在變壓器中的磁通平衡概念，以及如何在25 kW快速直流充電樁中解決這一問(wèn)題。
1 設(shè)計(jì)DAB DC-DC級(jí)
DAB DC-DC轉(zhuǎn)換器含有兩個(gè)全橋，采用四個(gè)SiC MOSFET模塊、一個(gè)諧振變壓器和一個(gè)諧振電感實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)運(yùn)行相移調(diào)制并在高負(fù)載下實(shí)現(xiàn)ZVS，同時(shí)可在200 V至1000 V的寬輸出電壓范圍內(nèi)最大限度地提高效率。圖1再次顯示了之前在第二部分中介紹的該電路級(jí)的簡(jiǎn)化示意圖。
該轉(zhuǎn)換器旨在提供最高效率當(dāng)輸出電壓介于約650 V和 800 V之間。針對(duì)400 V電池的充電樁，應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)以在400 V電平附近提供峰值效率。
表1概述了該轉(zhuǎn)換器的主要設(shè)計(jì)特性。
圖1：雙有源橋(DAB) DC-DC級(jí)含有兩個(gè)全橋，中間有一個(gè)隔離變壓器。
表1.DC-DC轉(zhuǎn)換器所需工作點(diǎn)的概覽。
DAB磁性元件設(shè)計(jì)指南
設(shè)計(jì)DAB-PS轉(zhuǎn)換器的一個(gè)基本步驟是選擇變壓器和諧振電感的關(guān)鍵參數(shù)。變壓器的匝數(shù)比(n1/n2)將顯著影響轉(zhuǎn)換器在整個(gè)工作范圍內(nèi)的效率，因此DAB-PS轉(zhuǎn)換器的開發(fā)和優(yōu)化很大程度上取決于磁性元件。
正如下文即將討論的那樣，大多數(shù)仿真目標(biāo)僅用于生成滿足我們應(yīng)用需求的磁性能要求。磁性元件供應(yīng)商使用這些信息來(lái)完成滿足應(yīng)用需求的元件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)盡可能降低損耗并減小尺寸。
變壓器匝數(shù)比(n1/n2)和效率
當(dāng)次級(jí)電壓(VSEC)等于初級(jí)電壓乘以n1/n2比值(公式 1時(shí)，DAB-PS轉(zhuǎn)換器將達(dá)到峰值效率。
因此，調(diào)整變壓器的方式應(yīng)確保當(dāng)VSEC等于目標(biāo)輸出電壓(對(duì)于本項(xiàng)目為約650 V 至800 V)時(shí)，達(dá)到該峰值性能工作點(diǎn)。以下仿真將顯示匝數(shù)比是如何成為轉(zhuǎn)換器效率的主要決定因素的(對(duì)于固定的開關(guān)頻率和開關(guān)技術(shù))，因?yàn)樗鼤?huì)影響變壓器的初級(jí)(IPRIM,RMS和IPRIM,PEAK)電流和次級(jí)(ISEC,RMS和ISEC,PEAK)電流。仿真將有助于確定何種匝數(shù)配置可提高整體效率并達(dá)到98%的目標(biāo)值。
為了啟動(dòng)并運(yùn)行仿真，需要一些變壓器匝數(shù)比的初始值。在本項(xiàng)目中，初始值是根據(jù)以前的設(shè)計(jì)、市場(chǎng)基準(zhǔn)和技術(shù)文獻(xiàn)中收集的經(jīng)驗(yàn)提出的，并以公式1為堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
諧振電感(LRESONANT)
諧振電感值需要根據(jù)DAB-PS中變壓器的漏感進(jìn)行調(diào)整。理論上，在某些設(shè)計(jì)中，變壓器的固有漏感可用于實(shí)現(xiàn)支持ZVS的必要諧振。然而，在像本項(xiàng)目這樣的高功率應(yīng)用中，情況并非如此，因此所選的諧振電感值需要補(bǔ)充變壓器的漏感。
公式2定義了DAB-PS轉(zhuǎn)換器的輸出功率、初級(jí)和次級(jí)電壓、開關(guān)頻率、相移和諧振電感(諧振電感 + 變壓器漏感)之間的關(guān)系。根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器中的典型情況，已證明fs值越高，所需的電感就越小。
其中，P是DAB的功率傳輸，VPRIM是初級(jí)電壓，VSEC是次級(jí)電壓，?是相移，fs是開關(guān)頻率，LRESONANT+LEAKAGE是諧振電感 + 變壓器漏感。該公式基于簡(jiǎn)化的線性化模型，但對(duì)初始估值很有用。
通過(guò)應(yīng)用公式2并將其與25 kW直流充電樁的規(guī)格進(jìn)行比較，可以確定將LRESONANT與LLEAK的和取值為 22 μH左右會(huì)是一個(gè)合理的假設(shè)。表2顯示，對(duì)于最壞情況(VSEC = 200 V)，可以在留有一定的裕量的條件下提供10 kW的額定輸出功率，因?yàn)閺闹C振角度來(lái)看，理想情況下的最大功率傳輸為11.57 kW。
表2.在整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)滿足輸出功率規(guī)格所需的 LRESONANT+LEAK。
勵(lì)磁電感(LM)
勵(lì)磁電感(LM)在優(yōu)化變壓器尺寸方面發(fā)揮著重要作用，并且還會(huì)影響整體效率。對(duì)于給定的初級(jí)電壓，較高的LM將轉(zhuǎn)化為較低的勵(lì)磁電流(IM)，從而降低流過(guò)磁芯的總磁通量，縮小所需的有效橫截面積(Ae)(公式3、4和5)，這會(huì)有利于變壓器更緊湊。
盡管如此，較高的LM值意味著所需匝數(shù)(n1)的增加，在工作于高RMS電流的系統(tǒng)中(如本示例中的25 kW 電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì))，這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線橫截面積的增加(以使傳導(dǎo)損耗得到控制)，然后導(dǎo)致變壓器尺寸的增加，以便能夠在磁芯的可用繞組區(qū)域中容納磁芯。
很明顯，勵(lì)磁電感值是變壓器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的一個(gè)要素，但不是我們轉(zhuǎn)換器的固定要求。因此，我們的工程師在此采用的方法是，依靠磁性元件制造商提供優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能做到緊湊和高效，同時(shí)滿足應(yīng)用要求(主要是效率、尺寸和成本)。然而，公式3至5幫助我們了解勵(lì)磁電感如何影響到改變變壓器尺寸和損耗的各項(xiàng)。
其中B是磁通密度，φ是磁通量，Ae是(磁芯的)有效橫截面積。
其中μ0是真空磁導(dǎo)率，μr是相對(duì)磁導(dǎo)率，le是磁路長(zhǎng)度，la是磁芯氣隙長(zhǎng)度，N是初級(jí)繞組的匝數(shù)，IM是勵(lì)磁電流。
其中AL是電感系數(shù)。
從控制和調(diào)節(jié)的角度來(lái)看，為L(zhǎng)M設(shè)立一個(gè)最小值也很重要。該值越低，控制環(huán)路運(yùn)行速度就越快，而采集和控制硬件需要支持該工作速度。
總而言之，在本項(xiàng)目中定義LM可接受范圍的最重要因素包括：最大調(diào)節(jié)速度、對(duì)IM峰值電流的影響、對(duì)次級(jí)側(cè)電流的影響(隨著LM的減小而增加)和磁體結(jié)構(gòu)的可行性(緊湊)。
開關(guān)頻率
根據(jù)以往設(shè)計(jì)(例如11 kW LLC轉(zhuǎn)換器)中積累的經(jīng)驗(yàn)，選擇100 kHz作為開關(guān)頻率。[4]該值是在相對(duì)較高的開關(guān)頻率(有助于減小磁體尺寸)和過(guò)高的開關(guān)頻率(會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的開關(guān)損耗)之間進(jìn)行的權(quán)衡。
相移法和幾種選擇
出于仿真的目的，在互補(bǔ)橋之間使用固定占空比為50%的單相移。計(jì)劃在實(shí)際控制實(shí)施級(jí)評(píng)估其他相移法(例如擴(kuò)展相移、雙相移和三相移)，作為改善系統(tǒng)性能的可能手段之一。
磁通平衡
磁通平衡技術(shù)旨在防止在變壓器中由所謂的磁通走漏引起磁芯飽和。這種現(xiàn)象(又稱磁通階梯效應(yīng))的成因是，由于施加于變壓器的(伏特 x 時(shí)間)凈積不平衡，造成在每個(gè)開關(guān)周期中磁芯中剩余磁通的累積——在一個(gè)開關(guān)周期中它應(yīng)該恰好為零。當(dāng)乘積不為零時(shí)，所施加的電壓波形不是純交流的，而是含有直流偏置分量，該分量會(huì)引起剩余磁通。
(伏特 x 時(shí)間)乘積背后的不平衡可能非常細(xì)微，難以識(shí)別，例如單個(gè)半橋的占空比或RDSON本身。在小功率和中功率系統(tǒng)中，采用一個(gè)“隔直電容”，與初級(jí)或次級(jí)繞組串聯(lián)，用來(lái)過(guò)濾直流偏置電流。在25 kW充電樁設(shè)計(jì)中，該電容的特性和要求會(huì)導(dǎo)致組件體積龐大或無(wú)法實(shí)現(xiàn)。電容值會(huì)落在幾十微法的范圍內(nèi)，隔直電壓在1000 V左右。
然而，最具挑戰(zhàn)性和限制性的則是IPRIM,RMS和 ISEC,RMS很高，預(yù)計(jì)會(huì)介于45 A和65 A之間。合適的解決方案需要大約15到20個(gè)陶瓷電容并聯(lián)，鑒于多種原因，包括尺寸、成本、布局復(fù)雜性和系統(tǒng)可靠性，這不切實(shí)際。一種替代方案是采用電解電容或金屬化聚丙烯電容，類似于在PFC級(jí)的直流鏈路中所使用的電容，但這會(huì)占用PCB上的大量空間，同時(shí)也會(huì)增加BOM成本。
要實(shí)現(xiàn)實(shí)用、緊湊且有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)，一種可行解決方案是防止磁通階梯效應(yīng)。這可采用多種實(shí)現(xiàn)方法，并且有大量討論該主題的文獻(xiàn)。本項(xiàng)目實(shí)施的解決方案是磁通平衡算法，該算法可控制和修改施加在變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組上的電壓波(占空比)，以使其保持平衡，從而確保平均直流電流為零。
測(cè)量初級(jí)和次級(jí)電流作為控制環(huán)路的輸入，這需要額外測(cè)量變壓器的初級(jí)和次級(jí)電流，而對(duì)于實(shí)際的轉(zhuǎn)換器控制，僅檢測(cè)輸入和輸出電流。另一方面，磁通平衡消除了電容需求，從而減小了尺寸和成本，并提高了系統(tǒng)效率。這些因素以及工程團(tuán)隊(duì)以前在實(shí)施這種技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)，都是此方法深受歡迎的主要原因。本系列文章的第五部分將提供有關(guān)實(shí)施磁通平衡控制技術(shù)的更多詳細(xì)信息。
2 準(zhǔn)備仿真
除了討論P(yáng)FC級(jí)的開發(fā)之外，本系列文章的第三部分 [3]還提供了更廣泛的概述，說(shuō)明為什么仿真在電力電子設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，以及在運(yùn)行仿真之前要考慮的主要因素，例如目標(biāo)、模型和輸入?yún)?shù)。牢記這些因素將有助于成功的項(xiàng)目開發(fā)和執(zhí)行。下面將介紹DAB-PS級(jí)電源仿真的關(guān)鍵信息。
目標(biāo)
以驗(yàn)證系統(tǒng)的目標(biāo)效率為主要目標(biāo)，并由此幫助選擇變壓器和諧振電感的參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)效率最大化的同時(shí)滿足系統(tǒng)的其余要求。表3概述了主要目標(biāo)。
表3.仿真的主要目標(biāo)摘要。
仿真模型
安森美半導(dǎo)體工程團(tuán)隊(duì)為DC-DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)的SPICE功率仿真模型如圖2所示。與第三部分中介紹的三相 PFC級(jí)的電源仿真模型相比，它更簡(jiǎn)單，前者對(duì)三個(gè)半橋進(jìn)行開關(guān)，需要同步交流電網(wǎng)電流和電壓。在 DAB-PS轉(zhuǎn)換器中，電源級(jí)使用四個(gè)半橋單元(與PFC 模型中使用的模塊相同)。
至于變壓器和諧振電感，該模型包含：Lpri與Lsec的耦合比(K = 1)、Lm(勵(lì)磁電感)、Ls(次級(jí)電感)、Lr(諧振電感)和等效串聯(lián)電阻(適用于變壓器和電感繞組)。須強(qiáng)調(diào)的是，變壓器和電感的磁芯損耗并未包含在內(nèi)。在這一級(jí)中，考慮這些因素的可行起點(diǎn)是估計(jì)該損耗與傳導(dǎo)損耗近似。
模型中的其他元件包括C_Pri和電壓電流傳感器(SPICE 格式)，用于測(cè)量初級(jí)和次級(jí)電流以實(shí)現(xiàn)磁通平衡。C_Pri代表在DAB-PS輸入端使用的緩沖電容，并與直流鏈路并聯(lián)。此類電容應(yīng)靠近MOSFET放置，以抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)的電壓尖峰。
在最終產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中，可能不需要這些電容，或者其規(guī)格要小得多，因?yàn)镻FC的直流鏈路部分已經(jīng)提供了濾波功能。然而，就本項(xiàng)目的目的而言，DAB-PS應(yīng)作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)正常工作，進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估，因此該電容必不可少。如前所述，該控制模型采用了50%單相移工作的定制數(shù)字PWM模型。
圖2：DAB轉(zhuǎn)換器的仿真模型。
輸入?yún)?shù)
表4和表5概述了仿真輸入?yún)?shù)。將使用n1/n2、LM和VSEC的替代值進(jìn)行評(píng)估并最終確定最佳配置。其余參數(shù)在所有仿真中保持不變，根據(jù)我們工程團(tuán)隊(duì)在無(wú)源元件設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)、現(xiàn)有解決方案的基準(zhǔn)和圍繞該主題的文獻(xiàn)，選擇這些參數(shù)，以作為起點(diǎn)。
表4.仿真輸入?yún)?shù)。以藍(lán)色突出顯示的是在仿真中會(huì)發(fā)生變化的參數(shù)。
表5.SPICE仿真的配置。
3 仿真結(jié)果
本章節(jié)討論仿真獲得的結(jié)果。測(cè)試可分為兩個(gè)主要評(píng)估，第一個(gè)評(píng)估圍繞變壓器匝數(shù)比n1/n2和效率，第二個(gè)評(píng)估圍繞LM。測(cè)試結(jié)果將有助于實(shí)現(xiàn)前面提出的目標(biāo)并回答關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問(wèn)題。請(qǐng)注意，除非另有說(shuō)明，否則所有仿真均在“輸入?yún)?shù)”部分中提供的數(shù)值下執(zhí)行。
變壓器匝數(shù)比(n1/n2)評(píng)估
效率和損耗
仿真的第一個(gè)結(jié)果和最具代表性的結(jié)果如圖3和4所示。根據(jù)不同的n1/n2配置，分別在800 V、666.7 V和571 V次級(jí)工作電壓下提供峰值效率。在此值得注意的是，在340 V至830 V的VSEC工作電壓范圍內(nèi)，所有評(píng)估的匝數(shù)比都可實(shí)現(xiàn)98%的峰值效率(但不包括電感和變壓器的磁芯損耗)。
然而，隨著VSEC向低端(200 V)和高端(1000 V)移動(dòng)，不同n1/n2比值之間的差異會(huì)變得更明顯。實(shí)際VSEC值偏離最佳點(diǎn)越遠(yuǎn)，效率就越差(圖3中曲線圖的左右兩端)。有趣的是，雖然增加n1/n2會(huì)顯著增加VSEC > VSEC,OPTIM時(shí)的總功率損耗(圖4的右端)，但減小n1/n2并不會(huì)對(duì)VSEC < VSEC,OPTIM時(shí)的功率損耗產(chǎn)生同等明顯的影響(圖4的左端)。
盡管增加n1/n2比值會(huì)使VSEC < VSEC,OPTIM時(shí)的效率提高(圖3左端)，但差異并不像VSEC > VSEC,OPTIM時(shí)那樣顯著(圖3右端)。因此，似乎減小n1/n2比值可能會(huì)導(dǎo)致整體性能的提高，不過(guò)情況并非總是如此，這取決于在整個(gè)VSEC工作范圍內(nèi)要確保的最低效率。
圖3：隨VSEC電壓和變壓器不同的n1/n2比值，DAB效率的變化。不包括諧振電感和變壓器的磁芯損耗。VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH。
圖4：隨VSEC電壓和變壓器不同的n1/n2比值，DAB 功率損耗的變化。不包括諧振電感和變壓器的磁芯損耗。VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH。
初級(jí)和次級(jí)電流
低n1/n2比值也帶來(lái)了缺點(diǎn)，通常需要找到一個(gè)最佳點(diǎn)。最突出的缺點(diǎn)是在低VSEC時(shí)IPRIM,PEAK和IPRIM,RMS較高(圖5)，這意味著SiC MOSFET的導(dǎo)通電流較高。
同時(shí)，增加n1/n2會(huì)導(dǎo)致在高VSEC下更高的ISEC,PEAK和ISEC,RMS(圖6)。為避免磁飽和，需要在變壓器設(shè)計(jì)中格外小心初級(jí)側(cè)出現(xiàn)相對(duì)較高的峰值電流。
圖5：IPRIM,RMS和IPRIM,PEAK與變壓器匝數(shù)比的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH)。
圖6：ISEC,RMS和ISEC,PEAK與次級(jí)側(cè)電壓和變壓器匝數(shù)比的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH)。
初級(jí)電壓、次級(jí)電壓和電感電壓
圖7描述了變壓器繞組上的電壓。這些都是需要傳遞給變壓器制造商的值，以供他們計(jì)算所需的隔離。
圖7：變壓器兩端子間VPRIM,PEAK和VSEC,PEAK電壓與次級(jí)側(cè)電壓和變壓器匝數(shù)比的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH)。
同樣，圖8顯示了諧振電感的電壓，在這兩種情況下，電壓演變遵循類似的模式，兩端子間的電壓隨著VSEC的增加而增加。在所有情況下，電壓值都保持在1000 V以下，對(duì)于常用電感來(lái)說(shuō)不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。
圖8：兩端子間的諧振電感電壓與次級(jí)側(cè)電壓和變壓器匝數(shù)比的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH)。
勵(lì)磁電流
變壓器勵(lì)磁電流(對(duì)于給定的LM)未因n1/n的變化在整個(gè)VSEC工作電壓范圍內(nèi)顯示出明顯變化(圖9)。
圖9：IM與次級(jí)側(cè)電壓和變壓器匝數(shù)比的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，LM = 720 μH)。
勵(lì)磁電感(LM)評(píng)估
本章節(jié)介紹不同勵(lì)磁電感值對(duì)系統(tǒng)性能的影響。請(qǐng)注意，我們使用不同的勵(lì)磁電感(720 μH、300 μH和150 μH)執(zhí)行了三個(gè)仿真系列。在此分析中，已將變壓器的n1/n2固定為1.2:1。
在上一章節(jié)中，已經(jīng)使用相對(duì)較高的Lm固定值(720 μH)，評(píng)估了匝數(shù)比(n1/n2)對(duì)效率和其他變量的影響。如圖9所示，該選擇導(dǎo)致最大IM,PEAK低于5 A，這似乎符合電源變壓器設(shè)計(jì)中的常見經(jīng)驗(yàn)法則，即將變壓器設(shè)計(jì)為在IM,PEAK的值約為最大IPRIM,PEAK(圖5中的82 Apeak)的5%至10%下工作。
圖10顯示LM對(duì)效率的實(shí)際影響非常低，在非常高的 VSEC下僅表現(xiàn)出0.4%的差異。正如“DAB磁性元件設(shè)計(jì)指南”一節(jié)所述，勵(lì)磁電感的實(shí)際值不是項(xiàng)目的關(guān)鍵要求，而是由磁性供應(yīng)商選擇，以便制造盡可能緊湊的變壓器，同時(shí)滿足其余要求。
圖10：VDC-LINK = 800 V，n1/n2 = 1.2:1時(shí)，DAB效率和功率損耗與次級(jí)側(cè)電壓和勵(lì)磁電感的函數(shù)關(guān)系。不包括諧振電感和變壓器的磁芯損耗。
仿真得到的另一個(gè)啟示是，在不同的LM值下，IPRIM,PEAK和IPRIM,RMS幾乎保持不變(圖11)。然而，次級(jí)側(cè)的情況并非如此(圖12)，在不同的LM值下，ISEC,PEAK和ISEC,RMS分別從91 Apeak躍升至109.6 Apeak、從49 Arms躍升至58.7 Arms。
通過(guò)這一觀察和進(jìn)一步研究，我們可以了解勵(lì)磁電感如何影響變壓器尺寸。ISEC,RMS的平方增加了1.435倍(LM = 150 μH(58.7 Arms)相對(duì)于LM= 720 μH(49 Arms))，這可以解釋為需要以相同的因子增加導(dǎo)線的橫截面積(如果繞組損耗保持不變)。然而，n2(LM= 150 μH)減小為1/2.19，使用相同的繞組橫截面積將使銅損耗降低為1/1.52。最重要的是，n1(初級(jí)匝數(shù))也會(huì)減小，從而進(jìn)一步降低了銅損耗。
盡管如此，這種改進(jìn)可能是以加大磁芯為代價(jià)。隨著 LM的降低，IM,PEAK增加了4.8倍，從4.1 A(LM = 720 μH)增加到19.9 A (LM = 150 μH)，如圖13所示，而n1(和 n2)僅減小為1/2.19(如上所述)。應(yīng)用公式 3，乘積N · IM增加，磁通密度(B)隨之增加，這會(huì)觸發(fā)對(duì)更大磁芯(增加Ae橫截面積)的需求，以便保持合理水平的磁通密度(B)。
該示例說(shuō)明了這幾個(gè)元件的相關(guān)性，以及為什么通常要進(jìn)行折衷。然而，找到變壓器尺寸和LM之間的最佳點(diǎn)通常取決于磁性元件設(shè)計(jì)人員的技術(shù)和能力(如前所述)。
圖11：DAB IPRIM,PEAK和IPRIM,RMS變化與次級(jí)側(cè)電壓和勵(lì)磁電感的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，n1/n2 = 1.2:1)。
圖12：DAB ISEC,PEAK和ISEC,RMS變化與次級(jí)側(cè)電壓和勵(lì)磁電感的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，n1/n2 = 1.2:1)。
圖13：DAB IM,PEAK變化RMS與次級(jí)側(cè)電壓和勵(lì)磁電感的函數(shù)關(guān)系(VDC-LINK = 800 V，n1/n2 = 1.2:1)。
4 結(jié)論和設(shè)計(jì)折衷
上述章節(jié)所介紹的仿真用于驗(yàn)證DAB轉(zhuǎn)換器的初始目標(biāo)，并幫助制定設(shè)計(jì)決策，尤其是涉及變壓器和諧振電感的設(shè)計(jì)決策。表6和表7顯示了系統(tǒng)最終選擇的參數(shù)值。這些值將傳遞給磁性元件制造商，供他們開發(fā)優(yōu)化的磁性元件。
已將變壓器的匝數(shù)比n1/n2設(shè)置為1.2:1.0，因?yàn)榇伺渲迷谡麄€(gè)工作范圍內(nèi)表現(xiàn)出最佳性能，在VSEC = 800 V 時(shí)表現(xiàn)出高峰值效率(99.4%)，在VSEC = 900 V時(shí)為 99%，而在接近低端(200 V)和高端(1000 V)處則僅表現(xiàn)出小幅效率下降(圖3)，相比其他匝數(shù)比(1.4:1.0 和 1.0:1.0)性能更好。
對(duì)LM的要求則更加靈活，額定范圍大約從150 μH到300 μH。該值是DAB磁性元件設(shè)計(jì)指南中提及的多方面因素的折衷。在IM = 20 A(及以下)時(shí)，應(yīng)確保最小LM值為150 μH，而范圍高達(dá)300 μH則為磁性元件制造商留出了LM值的選取空間，以提供盡可能緊湊和高效的全面變壓器設(shè)計(jì)。
根據(jù)DAB磁性元件設(shè)計(jì)指南章節(jié)中提出的建議，選擇10 μH作為諧振電感的估計(jì)值。
最后不得不提的是，已提議將變壓器和電感的等效串聯(lián)電阻(ESR)值作為符合其他定義參數(shù)的最大合理估計(jì)值。不言而喻，實(shí)際磁性設(shè)計(jì)越能降低電阻值則越好。這屬于磁性元件供應(yīng)商可以增加價(jià)值的優(yōu)化過(guò)程。
表6.為變壓器選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些用于為變壓器制造商指定變壓器要求。
表7.為諧振電感選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些用于為變壓器制造商指定電感要求。
開發(fā)過(guò)程的下一步將是與磁性元件制造商分享要求，并接收磁性部件的設(shè)計(jì)建議。一旦獲得了磁性元件的樣品，就可以測(cè)量它們的實(shí)際參數(shù)，并使用SPICE模型中的改進(jìn)參數(shù)運(yùn)行新的仿真。在獲得實(shí)際轉(zhuǎn)換器硬件之前進(jìn)行第二次分析，提供更準(zhǔn)確的性能和損耗結(jié)果。
例如，可以在仿真中添加磁芯損耗，因?yàn)榇判灾圃焐掏ǔ?huì)提供實(shí)際值。雖然下一篇系列文章中將討論磁性參數(shù)，但實(shí)際測(cè)量的磁參數(shù)也將有助于增強(qiáng)控制模型，并有助于在擁有硬件之前推進(jìn)控制算法和控制環(huán)路的開發(fā)。這有助于加速開發(fā)過(guò)程，因?yàn)槭褂酶呒?jí)模型可能會(huì)簡(jiǎn)化硬件的調(diào)試和調(diào)整工作。
請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注下一篇系列文章，即第五部分，它將討論控制算法和控制環(huán)路的實(shí)施指南。
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