[FAQ] [参考译文] [FAQ]如何为电动汽车(EV)充电站拓扑选择最佳的非隔离式栅极驱动器？

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1254547/faq-how-do-i-choose-the-best-non-isolated-gate-driver-for-electric-vehicle-ev-charging-station-topologies

电动汽车(EV)充电系统有两种类型：交流和直流、交流充电系统在到达蓄电池之前必须与 EV 内部车载充电器(OBC)对接。 直流充电系统与外部电动汽车供应设备(EVSE)和交流/直流转换器连接、然后绕过 OBC 并直接连接到电池。

图1. 电动汽车供应设备(EVSE)、车载充电器(OBC)、电池管理系统(BMS)  

图2. 直流快速充电系统总体方框图

两个系统都需要交流/直流功率因数校正(PFC)转换器级和直流/直流转换器级；如所示。 本指南重点介绍外部 EVSE 中具有交流/直流 PFC 级和直流/直流级的直流 EV 充电系统。 (有关车载充电器的信息、请参阅 OBC 上的 TI.com’s 页面。) PFC 中的 FET 工作是改变输入电压和电流相位、以产生更理想的谐波交流信号、然后可能也使用 FET 将其整流为直流信号。 直流/直流转换器将使用 FET 产生接近理想值的谐波交流信号、然后对其进行整流。 应使用栅极驱动器来驱动 FET、以提高效率、可靠性并实现进一步控制。 高驱动强度将提高 FET 的开关速度并降低开关损耗。 负电压处理将实现更强大且更抗噪的系统。 输出通道之间的低延迟匹配时间使每个驱动器能够有效地控制多个驱动器、同时降低成本。 欠压锁定可降低导通损耗。 下表显示了栅极驱动器的有用功能及其对整体设计的影响。

交流/直流 PFC 转换器级

单相图腾柱

图腾柱 PFC 采用传统升压 PFC 中使用的全波整流器的一般布局、经过修改、其中两个二极管替换为半桥配置中的有源 GaN 开关(S1和 S2)。 其他两个二极管在半桥配置中由硅 FET (S3和 S4)替代。 S1和 S2在补码中驱动、用于大多数校正；S3和 S4用于减慢和整流信号。 此布局的优势在于可提高效率并支持双向运行。 要了解 PFC 电路基础知识、请参阅 功率因数校正(PFC)电路基础知识。

图3. 单相图腾柱拓扑

GaN 开关具有零恢复反向导通功能、允许以连续导通模式(CCM)运行拓扑。 CCM 之所以理想、是因为它的功率损耗更小、滤波能力更强。 查看 TI 具有内置驱动器的 GaN 开关。 SiC 开关还具有零恢复反向导通功能、在该拓扑中可用于代替 GaN。

推荐的半桥驱动器

有关更多详细信息、请参阅该双向交错式图腾柱无桥 PFC TIDM-1007。

直流/直流转换器级

相移全桥(PSFB)

PSFB 属于双有源电桥(DAB)转换器系列。 在 PSFB 中、通过使用同相"初级"侧的开关、以高效率在不同直流电压之间转换功率。 "初级"指输入侧、在本例中为更高的电压。 "次级"是指输出侧、在本例中指较低的电压。 初级侧和次级侧由变压器隔开。

图4. 相移全桥拓扑

在 图4中、请注意初级侧 FET Q1-4。 控制器将调整左侧和右侧对之间的相位、以修改变压器处的能量传输。  图5显示了 FET 的时序。 次级侧的二极管结构通过整流提供均匀的直流信号。

图5. PSFB 时序图

TI 提供多个设计、展示了如何将 PSFB 拓扑与不同的栅极驱动器配合使用：

• TIDM-PSFB 400V 至12V 直流/直流转换器、使用低侧栅极驱动器。
• TIDM-BIDIR-400-12 双向400V 至12V 直流/直流转换器、使用低侧栅极驱动器。
• TIDM-01407 使用半桥和低侧驱动器、具有120V 升压限制的48V 至12V 汽车电池转换器。

推荐的低侧驱动器

推荐的半桥驱动器

LLC 谐振转换器级

LLC 谐振转换器是 DAB 系列的一部分、类似于 PSFB。 该拓扑的主要区别在于在初级侧变压器端子上引入了 LLC 电路。 LLC 谐振转换器还具有更复杂的控制系统、涉及使用不同的频率范围以获得不同的结果。 低于谐振频率的频率用于次级侧的软开关、但会以更高的导通损耗为代价。 高于谐振频率的频率用于降低导通损耗、但会增加开关损耗和硬开关。 使用接近谐振频率的频率以实现峰值效率。 由于拓扑结构的变化和控制复杂性、LLC 谐振转换器是单向的。

图6. LLC 谐振转换器

推荐的低侧驱动器

请参阅 TIDM-1001 参考设计在 LLC 拓扑中使用低侧栅极驱动器的400V 至12V 直流/直流转换器。

本视频简要概述了使用低侧或半桥栅极驱动器的拓扑。 其他拓扑使用隔离式栅极驱动器。 若要了解有关这些拓扑的更多信息、请参阅 电动汽车充电站的电源拓扑注意事项。  有关 EV 充电站主题的更多资源、请参阅 直流快速充电电源模块 概述。