NEST039 January 2021 LMG3422R030 , TMS320F28388D
為了將電動車 (EV) 的電源最佳化，車載充電器 (OBC) 必須效率高、輕量且體積小。較輕的 EV 需要用來驅動車輛的動力也更少，進而提升整體效率。
OBC 需要支援適當的電網到車輛 (G2V) 電壓和電流電池充電演算法，因此它作為電網和 EV (圖 1) 之間的功率調節介面。此外，它必須能夠從車輛到電網 (V2G) 供電，以便 EV 補充可能發生峰值容量波動的再生能源。
圖 1 OBC 需要支援適當的 G2V 電壓，並從 V2G 供電。促進電動車電網與高電壓電池間的介面需要電磁干擾 (EMI) 濾波器、功率因數校正 (PFC) 與隔離式 DC/DC 功率級。圖 2 說明此架構。
圖 2 這套簡化電路圖顯示 OBC 如何作為電網與電池間的介面。討論的範圍限於 DC/DC 級。截至本文撰寫時間點，DC/DC 級的兩種常見選擇為電容器電感器電感器電感器電容器 (CLLLC) 和雙主動橋式 (DAB) 拓撲結構 (圖 3 與 4)。兩種選項都可達到小型解決方案尺寸，並提供必要的 G2V 和 V2G 電源需求。
圖 3 本電路圖為 CLLLC 的基本拓撲結構。
圖 4 在此電路圖中可見 DAB 拓撲結構。OBC 性能最大化與尺寸縮減
為了解這兩種拓撲結構如何影響 OBC 的尺寸與性能，接下來我們將範圍限制在運作的電池充電階段，或 G2V，同時考慮如何提供開關可耐受的最大電池功率來減少充電時間。例如，考慮使用以下運作條件的開關：
- PDISS = 20W
- ϑJA = 3°C/W
- TA = 65°C
開關將為 TJ = 125°C，結果得自等式 1：
TJ=PDISS⋅ϑJA+TA (1)
此設計中的開關無法耐受超過 125°C 的溫度，這種條件代表 OBC 可在不犧牲開關的情況下為電池提供的最高功率位準。目標是將開關的功耗降到最低，並盡快為電池充電。
開關大部分的功率損耗主要來自兩個因素：均方根 (RMS) 電流，以及開關維持零電壓開關 (ZVS) 的能力。
因其電容低和快開關快速的特性，德州儀器的 GaN 開關能讓轉換器以比矽晶更高的切換頻率運作。高頻率運作會直接影響無功元件的尺寸，造就較小的變壓器、電感器和電容器。我們先建立 DAB 和 CLLLC 的基準設計，接著探索電路增強以擴大轉換器的 ZVS 範圍。
基準 DAB 和 CLLLC 性能比較
表 1 概述 OBC 的基本要求。
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為 DAB 和 CLLLC 建立詳細的設計有助於確定最可行的電路設計。這項作業的步驟超出本次討論範圍，不過電路模擬最能夠還原開關的損耗並驗證整體功能的符合狀況。我將模擬器設定為在不同功率位準和輸入與輸出電壓上以批次模式執行，並測試了不同的 DAB 和 CLLLC 電感器、電容器和匝比值。在每次模擬執行中，我收集了參數相關資料，例如 VIN、VOUT、開關功率、RMS 電流及開關 ZVS 狀況。表 2 總結兩種最佳拓撲結構設計。
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圖 5 說明顯著模擬結果。儘管每個拓撲結構中有八個開關，但圖表僅繪製功率損失最高的開關。每個開關有三張圖。第一張是開關總損失。第二張則是通過開關的 RMS 電流。最右邊的第三張圖顯示特定 GaN 開關在開啟時會遇到的最糟汲極至源極電壓情況。這是 ZVS 損失量的品質因素；此電壓越高，開關的損失就越大。因此，開關的 RMS 電流以及其維持 ZVS 的能力代表了裝置中功率損失的主要部分。
圖 5 模擬結果顯示 CLLLC 和 DAB 的 RMS 和 ZVS 基準條件。有了這些事實加上仔細查證過資料，CLLLC 顯然能夠在更大的運作範圍內維持 ZVS，因此強化 ZVS 負責降低 CLLLC 開關中的功率損失。話雖如此，在以 6.6kW 運作的情況下，DAB 具有優異性能，源自良好的 ZVS 和在大多數範圍內的低 RMS 電流。綜合這些觀察結果，建議尋求在不影響 RMS 電流的情況下改善 ZVS 的方法。
利用整流電感器改善 ZVS
圖 6 與 圖 7 顯示圖 3 和圖 4 相同的 CLLLC 和 DAB 電路，拓撲加入了額外的電感器 (以黃色標示)，在更大的運作範圍中可提供維持 ZVS 所需的額外電流。現在請設想這些額外電感器隨時都能運作的情況。
圖 6 本電路圖顯示具有整流電感器的 CLLLC。
圖 7 此電路圖顯示具有整流電感器的 DAB。表 3 列出新電感器的值，並為方便起見重複其他電路參數。
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圖 8 各電路的 RMS 和 ZVS 結果顯示 LC 的影響。在此情況下，請注意 DAB 能夠在整個運作條件範圍內達到完整 ZVS。GaN 開關的 VDS 在開啟時始終為 0V 的現象就能清楚說明這點。CLLLC 雖然無法達到完整 ZVS ，但仍可大幅改善 ZVS。但也請留意，ZVS 改善會大大犧牲兩種拓撲結構中的 RMS 電流。單從功率損失來看，DAB 轉換器具備了大多數範圍的優勢。
讓我們先別拉太遠，回過頭來比較 圖 8 和 圖 5，您會注意到在某些條件下整流電感器會讓損失更嚴重。這就帶出一個問題：是否可以制定出一種混合方法，透過這種方法達到 圖 5 和 圖 8 所示的最低損失？
最小化總損失：魚與熊掌不可兼得
增加整流電感器會讓轉換器維持 ZVS，進而打造出更廣泛的運作條件。當轉換器無法維持 ZVS 時，這種做法大有幫助。整流電感器的問題在於只有當即將損失 ZVS 時才會改善損耗。若轉換器已在 ZVS 中，整流電感器會增加電流而影響運作，導致開關損失更多歐姆。
這種思考過程誕生出混合方法測試，測試中整流電感器會在較重負載下關閉，並於較輕負載下開啟。圖 9 說明利用此方法重複模擬後的結果，這樣能讓設計善用每個拓撲結構的低 RMS 電流及高負載下自然的 ZVS 能力。
我很小心只增加足夠的整流電感和運作時間，以放入開關的隔熱外殼，避免不必要的開關 RMS 電流或不必要的解決方案尺寸。請注意，DAB 轉換器在運作範圍內無法達到完整 ZVS。ZVS 狀況已大幅改善，但最多只維持在先前討論過的 20W 開關目標內。
圖 9 這些都是採用混合方法的 RMS 和 ZVS 結果。為了更清楚呈現權衡，圖 10 總結出每種情況的功率損失。您可以看到 DAB 轉換器在開關的功率損失方面具有明顯優勢。
圖 10 每種情況的功率損失總結有助於讓權衡情況一目了然。為了進一步說明這兩個轉換器之間的性能功能，圖 11 重新整理並繪製 圖 10 中所示的資料。此圖表顯示為各轉換器可提供的最大功率，並假設交換器無法安全耗散超過 20W 功率。切記，20W 代表開關可耐受的最大損失，且仍可讓接點溫度維持在 125°C 以下
圖 11 此圖顯示各轉換器可提供的最大功率。CLLLC 和 DAB 誰更優秀？
從 圖 11 中藍線高於紅線可明顯得知，DAB 轉換器在整個範圍內提供的功率比 CLLLC 多，使人自然認為 DAB 穩贏。但別忘了，最小尺寸與重量是 OBC 的核心要求。DAB 轉換器需要兩個額外的電感器，但 CLLLC 只需要一個。在我看來，勝利該屬於 CLLLC。
如同工程學中大多數的事情一樣，視需求進行權衡往往是最棒的地方。很少會有不勞而獲的時候，這次也不例外。對我來說，CLLLC 輕鬆擠下 DAB，因為它具有明顯的尺寸優勢。
參考
- de Oliveira, E.F., and P. Zacharias, “Comprehensive Mode Analysis and Optimal Design Methodology of a Bidirectional CLLC Resonant Converter for E-Vehicles Applications,” 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE ’19 ECCE Europe), Sept. 3-5, 2019, pp. 1-10.
- Krismer, F., and J.W. Kolar, “Efficiency-Optimized High-Current Dual Active Bridge Converter for Automotive Applications,” IEEE Transactions on Industrial Electronics 59, no. 7 (July 2012): pp. 2745-2760.
- Texas Instruments. n.d., “Gallium nitride (GaN): pushing performance beyond silicon,” Accessed Oct. 19, 2020.