【技术】用于新能源汽车电池充电器的3DpowerTM技术，有效减小嵌入磁性元件的尺寸和系统成本
如今，混合动力和电动汽车市场增长迅速。 这些是普通热力发动机汽车的替代解决方案，以减少全球污染，尤其是在减少废弃的CO2或其他NOx污染物以及对健康有害的颗粒污染物方面。 新能源汽车需要越来越多的电力电子设备，不仅用于具有速度和扭矩控制功能的电动机，而且还用于高压电池充电器和稳定的车载连续低压电源。
2013-2024年混合动力车的趋势
对于200-450V电池充电器，可以使用不同的功率电子拓扑，例如准或谐振半桥或全桥。 它们能够开发开关频率通常在70-350kHz范围内的高效转换器（> 90％）。 3.5kW的功率可在一晚上（通过10 / 16Arms家用插头大约6-8小时）对电池进行完全充电，而7kW则将充电时间缩短到大约半天（32Arms插头）。 可以将功率从11-22kW（交流三相网络）增加到50kW（DC网络），以在30-60分钟内实现超快充电，但是需要在城市中安装专用的充电站。 对于模块化概念，可以将3.5kW充电模块连接在一起，并选择单相3.5或7kW或3相11kW充电配置。
因此，在充电操作中需要3-4kW的HF变压器，以适应从整流市电到电池电压的电压水平，以及通过交流和直流之间的物理隔离电路。 由于该组件属于开关模式电源，因此通常与电感器关联，以利于软开关，更好的控制和降低EMI。
普通电池充电器SMPS原理图
LLC拓扑第一种可能且最有效使用的拓扑是LLC谐振桥。 它可以由2个开关晶体管（半桥结构，图1）到4个晶体管（全桥操作）组成。 串联的晶体管形成连接到DC总线（输入电压Uin）的支路。 变压器及其相关的谐振回路连接在这些支路之间。 在次级侧，我们找到了一个由2个（中心抽头变压器）或4个二极管（单个次级绕组变压器）和一个滤波电容器组成的整流器模块。
图1：半桥谐振LLC转换器拓扑
谐振回路将并联电感器（Lp）和串联附加电感器（Lr）以及串联电容器（Cr）与变压器关联。 这3个无源组件通常是离散的组件，需要在应用中占用空间。 它们能会显示损失以及可能产生的相关热量，但这需要额外费用。 将Lp和Lr组件集成在变压器周围的单个磁性集中，定义该组值以根据要达到的Uout / Uin比值固定工作频率范围。 变压器的匝数比是与谐振回路值相关的另一个参数。 在70-200kHz范围内从220-420Vdc到200-450Vdc的3.5kW LLC全桥转换器的示例：
Ns / Np = 1，Lp = 130µH，Lr = 22µH和Cr = 100nF（均为+/- 5％） 公差）。
这种谐振拓扑在kW电池充电设备中是首选的，因为功率控制只能通过频率调节来实现。 根据所需的输出电压-电流需求（跟随电池充电的负荷图），控制回路和相关的微处理器计算要应用的开关频率，以具有相应的Uout / Uin比。 即使施加到变压器的电压是对称的双极性波形，电流也显示准正弦波形，这对于通过软开关实现更高的效率以及降低EMI具有很大的优势。
ZVS拓扑
第二种可能的拓扑是ZVS相移全桥，它是一种准谐振结构，还可以减少开关时刻半导体中的损耗（图2）。 在这种情况下，晶体管脚的控制在MOSFET或IGBT晶体管的两个对角线之间移动，并且所施加的占空比反映了计算得到的补偿，以在给定的Vin点获得所需的输出电压Vout。 与变压器串联的ZVS电感器用于利用每个MOSFET晶体管的自电容来创建零电压开关条件。
图2：ZVS相移全桥转换器拓扑
即使经常要求使用变压器的漏感值，这种做法也不会对变压器的自热产生任何影响。 实际上，为了产生ZVS条件，MOSFET表现出大约1-5nF的寄生电容值，通常需要5至15µH的值。 没有不良耦合（k <0.995）的情况下，它就无法对应变压器的自漏电感，这通常会导致绕组内部产生额外的高频损耗，这些损耗会与未存储在磁芯内部的能量相交。 因此，通常会找到一个与变压器初级线圈串联的分立的附加电感器（图3）。
图3：ZVS变压器及其相关的串联谐振扼流圈
在某些情况下，最好在变压器芯中引入一个细小的间隙，以使它的行为更加线性，以防由于整流桥或电缆长度或触点的任何不同而可能在次级侧出现任何可能的不对称性 次级的两个极性之间的电阻。 因此，变压器的励磁电感值略低一些，但具有更精确的公差。 以100kHz的3.5kW ZVS相移全桥转换器为例：Lmag = 800µH +/- 20％，Lzvs = 7µH +/- 10％。
集成磁集
该想法是集中在一个磁性组件上，该磁性组件在单个组件中一次提供所有这些替代方案。 主要优势是尺寸和重量的降低，价格更具竞争力。 在成本方面，不仅要考虑降低成本，因为减少一两个物理组件，而且还要考虑转换器的组装过程，其中必须进行较少的连接。 某些互连也可以用建议的磁组水平上的特殊技术直接替换。该结果生成了一种磁组（图4），在该组中，我们找到了一个公用变压器，并在其中附加了一个扼流圈。 与初级绕组串联，两个串行组件的磁芯在一侧连接在一起。 根据拓扑（LLC或ZVS），扼流圈是串联电感Lr或Lzvs。 如果中心脚被切断以将励磁电感值设置为Lp，则变压器可以包含Lp值。
磁性装置集成了一个变压器和一对谐振电感器
使用低损耗，高热稳定性的铁氧体磁芯以及并联的多股绞线和双绞线绕组，可以根据电池的充电水平优化损耗与温度，输入电压范围和电流消耗的关系。
为了满足许多电气安全标准（UL-2202，IEC-61558…）所要求的绝缘距离和爬电距离，必须遵循特殊隔离导体的要求。 实际上，隔离要求不仅包括高介电强度（通常为2.5-4kV），而且包括爬电距离，电气间隙和穿过绝缘层的距离等构造标准，以确保所提供绝缘系统的可靠性。
结论
为了满足混合动力汽车日益增长的需求，在电池充电器中嵌入磁性元件的尺寸减小，需要将开关变压器及其相关的谐振扼流圈集成在同一个磁芯上，同时提供可靠的绝缘和有效的冷却能力。这种3合1的概念（1个变压器+最多2个扼流圈）不仅可以减少体积和重量，而且还可以节省大量成本，因为使用的材料更少，而且连接系统也更少（扼流圈和变压器内部部分连接）。这就是PREMO开发出的创新的3DpowerTM概念，为汽车SMPS提供了设计更紧凑的解决方案。
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