2012 五月

更大范围的紧凑型车载充电器

一切皆可充

爱普科斯和TDK元件在Finepower电动汽车和混合动力汽车车载充电器中发挥着重要最用。包括电感器、变压器、电容器和保护元件。

Finepower开发了一种高度紧凑型车载充电器(OBC)模型。该设备基于德国汽车行业规范和技术条件,可以同时提供高效率和高功率密度——这是将OBC整合到电动汽车中的两个重要因素。随着用于进行稳定性试验,符合AEC-Q200标准的扼流圈和变压器在特定应用中的发展,使充电器系统在设计上能够更加节省空间。

受到良好保护的功率输入
爱普科斯B72220F0271K101型压敏电阻可以保护转换器的功率输入,防止电压过高。一种特殊的涂层大大提高了电动汽车使用的压敏电阻的机械稳定性。爱普科斯B57364S1509M ICL可用于限制高冲击电流。这两种元件均符合AEC-Q200标准。为了确保电磁兼容性(EMC)并实现电磁干扰(EMI)的过滤,Finepower的开发人员选择了爱普科斯的标准扼流圈,这种扼流圈也用于工业供电领域。另外选择了爱普科斯X2 电容器的B32933C3155M heavy-duty系列,拥有高可靠性和超长的使用寿命。


爱普科斯B43508B5337M和B43504B5337M型铝电解电容可以稳定直流链路。在450 V DC的额定电压下,它们可以提供的330 µF电容。CKG57NX7R2J474MT 系列的TDK Mega Caps以并联方式与之相连,可以减少等效串联电阻(ESR)。这是让直流链路同时保持高紧凑性和高功率密度的唯一方法。

特殊PFC概念提高效率
在发展过程中,人们十分关注是否能达到最高充电效率。为了使从线路中获得的电力达到最高,充电器中必须包含主动的功率因素矫正(PFC)。它可以将来自电线的交流电压进行整流,并同步生成提供充电电路的400 V DC内部直流链路。基于升压转换器原理的PFC电路显示了最先进的技术水平,并得以广泛传播。

在400 V DC直流链路中进行电源电压转换时的损耗源为:

  • EMI滤波器(铜损)
  • 桥整流器
  • PFC扼流圈
  • 电源开关(MOSFET)
  • PFC二极管
  • 元件产生的其它损耗,如直流链路中的铝电解电容器和分流器等

取决于设计和优化水平不同,传统解决方案在输入电压为230 V AC时可提供96%至97%的效率。也就是说,当输入功率为3.65 kW时,将有110至146 W被转换为热损耗,无法在直流链路中使用。

图1:交错程序中的PFC阶段

两个PFC分支与相应的爱普科斯PFC扼流圈进行并联,可以分离过高的波纹电流负载。这样可以提高效率并改善电磁兼容性。

该拓扑使用以并联方式连接到接口输出的两个PFC阶段进行工作,因此已经减少50%的不利影响,只需要一个PFC扼流圈便可以承载整个负载以及波纹电流。尽管交替程序需要使用两个扼流圈,但每一个都能根据一半电流(8 ARMS或22 APK)设计尺寸,使其大大简单化。爱普科斯新开发的电子移动平台系列PFC扼流圈的高紧凑型设计便可以用于此目的(见图2)。

图2:来自新电子移动平台的爱普科斯PFC扼流圈
爱普科斯扼流圈尽管造型紧凑,仍可提供高达22 A的额定峰值电流。

体积小,使用特殊核心材料,并使用RF绞线绕组降低损耗,使爱普科斯PFC扼流圈成为本应用的最佳选择。图3显示了所有重叠扼流圈电流的原理。

图3:重叠扼流圈电流


重叠扼流圈电流从输电线路生成一个大致的正弦曲线电流输入。

230 V输电线路的测量数据显示,在40%至85%的额定负载(1.3至2.8 kW)下,PFC阶段的效率会超过98%,且在满负载(3.3 kW)状态下也可以达到97.5%的效率。然而,与传统PFC阶段相比,仅在OBC的第一个阶段便可以节省35至70 W的电力损耗。

高效DC/DC转换器
拥有标准和稳定的400 V DC中间电路电压,DC/DC转换器必须给电池提供与输电线路之间存在可靠电气分离的充电电压。根据电池的设计和充电状态的不同,OBC的输出电压范围一般设置在200至420 V DC。充电电流和最终充电电压必须都可以通过设备的通信端口(CAN母线)编程和控制。

为了将OBC的总损耗降到最低,DC/DC转换器的效率必须达到最高。然而,由于在开关阶段需要稳定的电气分离,因此转换器在开关阶段的效率不可能与PFC阶段同样高。按照目前该技术的发展水平,效率最高的转换器是带有共振电桥拓扑的绝缘DC/DC转换器。出于该目的,既可以使用阶段改变转换器,也可以使用LLC电路。无论使用哪种方法,晶体管在外流源电压为零时始终保持连接状态,因此半导体中的损耗会非常低。

LLC转换器(见图4)的好处在于,这种完全共振拓扑可以允许足够的能量储存在负载电路中,以确保电桥节点的自发开关。

图4:全桥LLC转换器

Finepower在全桥转换器中使用电子移动平台的爱普科斯电感器。它同时适用于共振电感器(LR)和变压器(TF)。

爱普科斯电子移动平台系列的传感器也在全桥LLC转换器中使用。最大输出电压为420 V DC,即与400V DC输入电压的范围相同。LLC转换器的传输功能允许电压升高和降低。可以选择在变压器中以1:1的传输比来操作,这样便可以将损耗降至最低。初级端的变压器使用全桥操作,电压为±400 V,当在次级端完成电桥整流后,该变压器将重新转换为400 V DC。

除负载电流外,共振电流的另一个主要部分也必须在LLC过程中变压,这样,不仅在半导体元件中,在铜质元件(如电路板、共振传感器、变压器等)中同样会导致额外的电力损失。如果全桥电路使变压器初级端的电压达到半桥的两倍,电流将会减小两倍。增加的传输比使铜的电阻(线形)升高,同时半导体部分RDS(on) 会加倍。由于线路损耗是电流(PD=I2R)的二次函数,因此可以避免不必要的电力损耗。

全桥LLC概念在额定工作状态下(1.2至3.3 kW)允许效率始终超过97%,无论与输电线路之间是否存在可靠的分离。同时,准共振全桥原理还会提高EMC的性能。

表:Finepower车载充电器中的爱普科斯和TDK元件

型号订单号
压敏电阻爱普科斯B72220F0271K101
ICL爱普科斯B57364S1509M
X-电容器爱普科斯B32936C3565M
X-电容器爱普科斯B32933C3155M
Y-电容器爱普科斯B81123C1682M
铝电解电容器爱普科斯B43504B5337M
MLCCTDKCKG57NX7R2J474MT
门驱动变压器爱普科斯B82801C2245A200
PFC扼流圈爱普科斯B78547P2176A005
共振电感器爱普科斯B78547P2175A005
功率变压器爱普科斯B78547P2177A005


如需了解有关参考设计或特殊应用的更多信息,请发邮件至
design-solutions@epcos.com

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