電動汽車用非車載充電樁后級DC模塊設計與實現

1 研究背景

隨著社會經濟的快速發展，能源危機已成為全球性挑戰。為應對該挑戰，世界各國紛紛加快推動電動汽車產業的發展。建立完善的電動汽車充電基礎服務網絡，電動汽車產業才能得到更快速的發展[1-3]。然而，電動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，需要進一步加強電動汽車充電技術的研究和開發，從而為電動汽車產業的發展提供更好的支持。DC 模塊作為非車載充電樁中重要的一環，在發展電動汽車產業中起著關鍵作用。本文以非車載充電樁后級DC 模塊為研究對象，對其主電路拓撲、硬件電路進行研究設計。

2 基于碳化硅的大功率儲能電源模塊主電路設計

2.1 DC/DC模塊技術指標

本文研究對象是非車載充電樁后級DC/DC 模塊，其技術指標如表1 所示。

2.2 DC/DC模塊主電路結構

本文選用Boost-Buck 變換器作為主電路拓撲，為實現表1 所述的DC/DC 模塊技術指標，采用4 路Boost-Buck 變換器并聯輸出，主電路結構如圖1 所示。

圖1 四路Boost-Buck電路并聯輸出主電路圖

2.3 功率電路設計與選型

根據Boost-Buck 變換器基本工作原理及后級DC模塊的技術指標要求，進行變換器的主要元器件的選型與設計，本文重點分析功率開關管、續流二極管及電感的選型。

2.3.1 功率開關管和續流二極管的選型

根據表1 技術指標可知，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，選用英飛凌IMZ120R060M1H 型號開關管作為功率管。

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

3）Buck、Boost 續流二極管：Buck 續流二極管電壓額定值900 V，考慮1% 的電壓波動909 V，再考慮1.5倍余量1 363.5 V；Boost 續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909.2 V，再考慮1.5倍裕量1 363.8 V；選擇英飛凌IDWD20G120C5B 型號二極管作為續流二極管。

2.3.2 電感的設計

電感在非車載充電樁DC 模塊中實現能量傳輸與濾波功能。

1）選取磁芯材料

鐵氧體磁導率較高且很具有很好的穩定性且電導率高且發熱小^[4]。選擇型號PQ5050 作為電感的磁芯。

2）電感感量計算

由表1 技術指標，設電流紋波率r = 2 ，效率η =0.98 ，開關頻率f = 100 kHz 。

Boost 感量計算：Boost 電感應在輸入電壓最小時設計，輸入最大電壓為500 V，最大輸出電壓為800 V，根據最大占空比可求得：

所以Boost 最小電感感量為：

因此選取Boost 感量30 μH。

同理Buck 感量也選取30 μH。

3 模塊硬件設計

DC 模塊控制系統主要由主控制芯片DSP、ADC 采樣電路、PWM 驅動電路、通信電路、主動泄放電路以及溫度檢測電路等六個基本單位組成。本文選用的控制芯片是TI 公司32 位DSP TMS320F280049PZQR。本文重點介紹采樣電路及驅動電路設計。

3.1 電壓采樣電路

圖2中有3個電阻分壓采集電壓做過壓保護，分別對應Boost 輸入電壓過壓保護，Boost 輸出母線電壓過壓保護，Buck 輸出電壓過壓保護。

圖2 電阻分壓式采集電壓圖

3.2 電流采樣電路

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

圖3 Boost過流保護圖

3.3 驅動電路及通信電路設計

由于數字控制芯片DSP 輸出的PWM 信號達不到驅動MOSFET 所需的功率大小，所以對DC 模塊來說功率開關管驅動電路的設計必不可少。Buck、Boost 電路兩個驅動MOSFET 電路相同，均以推挽電路作為驅動電路核心。本設計中的通信系統采用CAN 通信方式，選用ISO1050DWR 芯片作為通信芯片。

4 實驗結果與分析

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。由圖可計算得知輸出紋波0.49%；輸出電流紋波3.6%。滿足設計要求。

圖4 輸入800 V、輸出800 V電壓紋波、電流紋波波形圖

4.2 開關管、續流二極管應力波形及分析

Boost 電路開關管與續流二極管最大應力是由輸入電壓決定；Buck 電路開關管與續流二極管最大應力是由輸出電壓決定。在DC 模塊運行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時可測得開關管、續流二極管最大應力如圖5。

圖5 Boost、Buck電路開關管和續流二極管電壓應力

Boost 開關管DS 兩端最大電壓值為1 050 V，Buck開關管DS 兩端最大電壓值為1 010 V。Boost 續流二極管兩端最大電壓值為1 020 V，Buck 續流二極管兩端最大電壓值為1 000 V。1 200 V 的開關管與續流二管電壓應力滿足設計要求。

5 結束語

本文基于一路Boost-Buck 變換器來研究非車載充電樁后級DC 模塊。根據DC 模塊系統技術指標，提出了采用4 路Boost-Buck 變換器并聯輸出構成DC 模塊模塊主要拓撲，對變換器主電路功率器件進行選型和設計；根據本文非車載充電樁 DC/DC 系統設計指標對系統進行硬件電路設計；搭建DC 模塊實驗平臺，利用實驗平臺對主電路波形進行了分析，驗證了系統滿足設計指標的要求。

參考文獻：

[1] 謝明潔.電動汽車發展現狀及前景[J].中國科技信息,2013(22):120-122.

[2] 徐秋瑩,宴合敏.低碳設計背景下的電動汽車產業發展策略[J].企業經濟,2011,1.

[3] 李立理,張義斌,周原冰,等.我國發展電動汽車充電基礎設施若干問題分析[J].能源技術經濟,2011,23(1):6-10.

[4] SANJAYA M.精通開關電源設計[M].北京:人民郵電出版社,2008,10.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年5月期）