基于兆易創(chuàng)新GD32F303系列的高頻DC/DC變換器解決方案

來源：兆易創(chuàng)新| 發(fā)布日期：2023-11-06 17:24

車載充電器（OBC）是電動汽車和混合動力汽車的重要組成部分(HEV)。OBC通常由一個(gè)AC/DC(功率因數(shù)校正電路)和一個(gè)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，如下圖所示：

典型兩級式OBC架構(gòu)

隨著電池容量的增加，OBC需要設(shè)計(jì)更高的功率。與OBC的功率容量越來越大相反的是，由于車內(nèi)空間和冷卻能力有限，因此功率密度和效率等規(guī)格也越來越高。高效率和高功率密度成為OBC的兩個(gè)關(guān)鍵要求。寬帶隙(WBG)功率器件的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，例如碳化硅(SiC)器件和氮化鎵(GaN)器件，因其更高的開關(guān)速度、更低的開關(guān)損耗以及更低的導(dǎo)通電阻溫度依賴性，在很多場合已經(jīng)成為傳統(tǒng)硅(Si)器件的優(yōu)越替代品。

系統(tǒng)簡介

CLLC(電容-電感-變壓器-電感-電容)電路拓?fù)洌哂袑ΨQ諧振腔和軟開關(guān)特性以及更高頻率工作的能力，是實(shí)現(xiàn)OBC高效、高功率密度的良好選擇。CLLC拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)、控制和實(shí)施架構(gòu)，如下圖所示：

CLLC隔離DC/DC拓?fù)浼軜?gòu)

采用GD32F303RCT6微控制器：得益于HRPWM定時(shí)與ADC采樣的高精度，使得CLLC將設(shè)計(jì)頻率提高到500kHz在數(shù)字控制的可實(shí)現(xiàn)性上，變成了可能，從而為整機(jī)系統(tǒng)的高功率密度和高效率綜合優(yōu)化提供了控制保障

GD32F303精準(zhǔn)的PWM邊沿控制：采用無傳感器的同步整流控制技術(shù)，可進(jìn)一步減少整機(jī)的硬件成本。

獨(dú)有專利支撐的平面磁集成優(yōu)化方案：有效提升了整機(jī)系統(tǒng)效率，同時(shí)磁性元件采用PCB繞組減少了人工繞制變壓器的人力成本。

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)規(guī)格如下表所示：

但是與傳統(tǒng)的移相全橋、不對稱LLC拓?fù)湎啾龋珻LLC諧振變換器存在兩個(gè)諧振電感與一個(gè)變壓器，占據(jù)整個(gè)車載充電器體積的25%以上，這嚴(yán)重影響了變換器功率密度，因此減小磁性元件的體積成為提高車載充電器功率密度的一種重要方法，前述提高開關(guān)頻率可以有效減小磁性元件的體積，但由于磁芯材料和功率器件限制，通過無限制的抬升開關(guān)頻率來減小磁性元件體積的做法并不可取。

另一個(gè)提高功率密度的方法是使用磁集成技術(shù)，將同一個(gè)變換器中的多個(gè)磁性元件以電磁場基本理論為約束集成在一付磁芯上，如在CLLC拓?fù)渖希瑢⒃呺姼小⒆儔浩鳌⒏边呺姼屑芍烈粋€(gè)磁芯中，同時(shí)結(jié)合寬禁帶器件的使用，可以將整體設(shè)計(jì)體積壓縮至一個(gè)非常可觀的體積內(nèi)。

繞線式與平面集成變壓器示意圖

而在效率的提升方面，除了使用性能更好的寬禁帶器件外，磁性元件的損耗優(yōu)化也是一個(gè)突破方向，使用PCB銅箔作為繞組配合平面變壓器的使用，相對傳統(tǒng)利茲線繞制的變壓器在損耗、散熱性能上均存在較大優(yōu)勢，且自定義設(shè)計(jì)的磁芯在各種體積要求的工況均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3kW雙向CLLC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

無傳感器同步整流策略

原副邊調(diào)制策略分別為：原邊驅(qū)動信號頻率來自閉環(huán)控制的計(jì)算結(jié)果，控制調(diào)頻實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制；同步整流控制策略為：副邊同步整流信號的上升沿與原邊信號一致，下降沿由控制器實(shí)時(shí)計(jì)算出的副邊管導(dǎo)通時(shí)間控制。