【技术】解析电动汽车中的谐振式DC/DC转换器

2022-03-24 Knowles
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电动汽车(EV)应用的首要任务之一是提高其电力转换装置的工作效率。电力转换的效率越高,电动汽车在一次充电后可行驶的距离就越远。例如,若能减少DC/DC转换器的损耗,将会降低相关元件的发热,其设计也将更高效,能效也能得到提升,转换器(和车辆)也将从中受益。


目前市面上有多种类型的DC/DC转换器,本文Knowles将重点讨论谐振式DC/DC转换器。谐振式转换器是DC/DC转换器拓扑中的一种类型,通过控制开关频率来实现输出电压恒定的谐振电路。谐振式转换器通常用于高压应用,以用来平滑波形,提高功率因数,并减少高频功率开关(如MOSFET和IGBT)造成的开关损耗。需要特别注意的是,谐振转换器通常采用LLC电路,因为它能够在运行范围内实现零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS),支持更高的开关频率,减少元器件的占用面积,并降低电磁干扰(EMI)。


图1. 谐振式转换器的示意图(来源:STMicroelectronics)


谐振式转换器建立在谐振逆变器上,谐振逆变器使用开关网络将直流输入电压转换为方波,然后将其应用于谐振式电路。如图2所示,这个谐振电路由一个谐振电容Cr、谐振电感Lr和变压器的磁化电感Lm串联而成。LLC电路通过选择性地吸收方波特定谐振频率下的最大功率,并通过磁共振释放正弦电压,以过滤掉任何高阶谐波。这个交流波形通过变压器放大或缩小,整流,然后滤波生成转换后的直流输出电压。


图2. 简化的LLC谐振式DC/DC转换器(来源:Electronic Design)

为DC/DC转换器选择合适的谐振电容器Cr时,电容器的均方根(RMS)电流是需要考量的重要参数之一。它影响电容器的可靠性、电压纹波和转换器的整体性能(取决于谐振电路的拓扑结构)。散热也受到均方根电流和其他内部损耗的影响。


事实上,在电动汽车转换器系统和其他大功率应用中,电容器的自热是一个普遍的问题。对于谐振电容器,Knowles通常推荐具有稳定容值及高精度、低功耗的多层陶瓷电容器MLCC)以防止过热——500V-1kV,4.7nF-39nF的C0G电容器便是这类应用的理想之选。



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品类
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Capacitance Value(pF、nF、uF)
Capacitance Tolerance(%、pF)
Dielectric Classification
0603J0500120JAB
Multilayer Ceramic Chip Capacitor
0603
Nickel barrier
50Vdc
12pF
±5%
C0G/NP0(1B) to AEC-Q200

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