TI C2000 在电动车辆上的数字电源应用 - 常见电源拓扑介绍

好 感谢博总给我们介绍整个 汽车应用的一个发展趋势以及为什么 C2000这个产品适合在车展电源上的使用 那接下来的话呢我们会分三个部分来给大家介绍 我们认为在这个行业里面 为了提高供应密度和提高效率 经常采用的一些拓扑 以及针对这些拓扑有哪些比较适合的 整个的一个系统架构的一个设计方案 那其次的话呢 最后的话呢我们还会基于这个介绍一下 TI针对这些系统架构和拓扑 提供的一些参考方案 一些解决方案呢 那这些解决方案的话呢会 提供所有的软件硬件 那也会使用到我们最新的一些技术 包括了这个 芯片本身的技术和驱动部分的技术 首先我们看一下这个电源拓扑的部分 那我们了解到的就是说在这个市场上 其实从无论是国内还是国外 它最近几年在大力发展这个电动汽车 那电动汽车里面最核心的一个部分就是 它的续航能力 就是说我们的充电 那充电的话呢 根据这个汽车协会的一个 工业协会的一个标准 我们又把它分为三个等级 那一样的等级的话呢 实际上属于所谓的车载充电器 或者车载充电机 那它实现的是说 在车身上面提供了一个电源充电的系统 那这个系统实际上是会从AC输入 单向的AC输入 转化成DC 隔离之后再进行降压充电 那这个部分的话 我们会分成两个等级 我们刚才讲总共有三个等级 这个两个等级里面 等级一的话呢 相对来说是 它的功率会比较低 可能会在一两千瓦 三四千瓦这段等级 那我们可以考虑一下的就是说 如果我们这个电池的容量比较大 达到几十个千瓦时的话 那实际上这个充电时间就会非常的长 所以的话呢 这种情况下我们就考虑到第二个等级 那么就是要提高电源模块的一个充电能力 它的一个大电流 让它能够更广时间往里充电 那这两种情况 我们称为的等级一和等级二 实际上都以我们的 居家或者是说在公司在宿舍 或者在商场 正常的充电来说时间是没有问题的 但是如果说你在做一个长途的旅行 或者说在高速公路上的休息区 来进行充电的话 实际上需要更快的时间 那么这种情况下 我们可能考虑的就是第三个等级 那第三个等级实际上使用的就不是车载充电 它实际上使用的是离线的方式 也就是我们现在通常讲的充电桩 或者说充电站 那这种情况它的功率可能会更高 达到几十个千瓦 那在这种情况下使用的是离线的充电方式 它实际上是要把我们的这个AC-DC和DC-DC的 转换部分转移到车的外面来完成 所以从这个图上面可以看到 一种是在车身上面集成了车载充电的模块 一种是在外边 但是是一个充电站 那么能够快速地充电 实现一个方式跳进的功能 那基于这两种不同的方案 或者说基于这三个不同的等级 我们接下来会分别讨论对应于每个电源转换部分的 一些常见的拓扑以及它们的优缺点 和我们怎么样来提高它们的效率 提高它的功率密度 并且降低系统的成本 所以 首先我们要看的是车载部分 AC-DC的一个部分 就是在等级一和等级二的这种车载充电器 或者车载充电机上面 在它的第一个环节就是AC-DC的 AC-DC的这个转换部分 那通常来说实际上呢 它是会实现一个AC-DC的一个升压 把AC转换成DC的一个直流 同时呢要保证它的效率 保证它的功率因素 和它功率密度的提高 那最开始看到的一个拓扑呢是非常常见的 过去我们在通信电源里面最常见的一个拓扑 那它实际上是一个桥式的一个PFC 那就是二极管的一个总流 然后通过后极的一个boost的一个升压 然后达到最终的一个PFC的功能 那把AC转换成DC 大概母线是在400伏左右 那这种情况下呢 是大家非常熟悉并且非常好控制的一个拓扑 但它问题就体现在有的时候你可以发现 它的效率可能达不到我们车载要求的那么高 因为它在每次开端的瞬间 每个开关的环路里面 它通过的电流总是至少要通过三个开关管 那么这样的损耗其实是比较大的 也就是说从本质上 它从原理上决定了 它的效率不可能做到太高 那即便是像这个拓扑我们使用了一个交错的方式 那对它的最终的效率提高有帮助 但是还是非常有限 所以在这种情况下呢 我们会考虑引进一个新的拓扑 就是我们业界或者市面上比较常见的 所谓的Totem Pole的PFC 那么它呢 是使用前端的两个管子 后边的话是有一个通过我们现在比较新的技术 通过电的方式来进行快速的切换 那么它由于减少了二极管 可以减少开关损耗 可以提高我们的效率 同时呢 它是工作在这个我们的CCM模式 就是联系模式 那在联系模式下 实际上虽然提高 因为电的引路能够提高开关频率 提高效率 但是呢 它还是比较有限 所以在这样一个拓扑里面 我们还有一些新的技术 就是通过软开关的一个切换 来实现它的这个 ZCS的实现 来提高它的效率 那另外一点就是 使用我们的零件模式 有叫CRM 或者是叫BCM模式 叫Boundary Current Mode 就是连续的边界的电流导通模式 Boundary Conduction Mode 以后的叫CRM Critical Mode 模式 那这个模式的话呢 实际上是通过我们芯片硬件的一些资源 来帮你监测到电流即将降到0的时候 再去闭合这个开关管 所以这种情况下 我们可以达到非常高的效率 那基于这个拓扑的话 实际上受限于电本身的这个能力 它的频率可以做到非常高 那么在我们的一个实际案例里面呢 可以把当前在像类似上面这种交错式PFC里面的 百K级提高到兆级 那问题在于说它的功率的等级或者说输入电压的等级 还是比较受限 因为电的本身 那因此呢 我们会引入另外一种实现方式 就是使用完全相同的一个架构 但是呢 把电驱动变换成碳化硅的一个驱动 那在这种情况下 它的基本上所有的硬件的拓扑设计 它的软件的设计是完全一样的 唯一不同在于功率部分的一些差别 那它们的效率都可以达到99% 甚至以上 那具体这两个拓扑的实现 我们后面都会有一个详细的这个 我们在TI最新的一些技术和芯片 无论是主控芯片 还是说电的驱动 我们都会有一个参考方案再做一个详细的规格的介绍 那至于刚才提到的这两个拓扑呢 实际上都是针对的 我们讲的on-borad charger 就是它的level1和level2 等级一和等级二的这种 在线的 车载的一个充电 那它的功率来说相对来说还是比较小 那不能实现快速充电 当然同时你为了提高效率呢 我们可以会使用类似于交错或者多相的方式 那接下来我们要讨论的呢是 支持更多的是离线的 也就是我们所谓的 充电桩或者是充电站的一个方式 那么这种情况下呢 它使用的是三相的接路 那同样的道理 上面的这个右开关的三相PFC 应该实际上也是我们目前业界比较常见的一个方式 那它是可以实现双相 但是呢它的频率控制是在100k的一个切换 但它对效率的提高仍然是因为开关管的一个原因 它的损耗会比较大 所以目前我们 大家比较研究比较新的一个拓扑就是我们知道的 这个维也纳的这个整流器 也即使维也纳的三相PFC 那这个PFC的话呢 它可以帮你 因为它的三电频率切换 所以实际上会达到更高的效率 并且减少你的这个电感的大小 那提高这功率密度 所以这两种方式基本上我们可以认为在 车载上面我们用的是单相 那大功率的就是离线的或者充电桩 充电站 它使用的是一个三相的拓扑 那它使用的技术呢 实际上也还是会用到我们一些比较先进的开关技术 以及一些软件技术 那在于DC到DC的部分 同样的道理 我们会按照刚才的这个功率的一个分区 从低到高来讨论一些拓扑 那在等级一的情况下呢 我们最常见的也是 目前或者说过去几年在通信电源里面比较常见的两个拓扑 一个呢是叫移相全桥 另外一个是半桥的LLC 那这两种拓扑呢 实际上是非常成熟的一个使用 那比如说移相全桥 它利用的是 一次测这边的这个电源的 它通过这个 变压器来进行后边的一个整流 那它的 能量的传输呢是通过前端这边的两相的一个交错 一相实现这个重合的时候呢传输这个电能 那它使用的开关频率我们通常会固定在百kHz左右 那它也同样可以在一次侧实现ZVS 并且在二次侧达到这个峰值巅模式的控制 最终达到一个非常好的控制效果 那对于的半桥LLC来说呢 它除了在一次侧这边实现ZVS之外呢 我们还可以在二次侧实现ZCS和ZVS 那这种情况的拓扑 我们通常比较常见的 其实跟过去的通信电流是非常接近的 那它使用的是 是固定控制频率 切换协整频率的一个方式 来达到这个效率的提高 所以呢 它可以减少功率区段的情况下 还能达到一个效率的提高 这也是目前为什么这个拓扑应用得比较多的因素 那基于这点 实际上它做的还是更多在传统的方式上做这种 效率提高不是特别多的应用 所以我们要提高它的功率本身和它的功率密度 那包括提高它的效率 我们接下来还会在level2上面 就是我们的等级二上面要更大功率的一个场景里面 我们可能会考虑一个就是在DC-DC的部分 考虑的是在刚才这个LLC上实现一个交错 那么交错的好处是可以帮你减少这个开关的损耗 并且提高效率 同时呢会在这个输出电感上减少载波 那这里带来的挑战在于两相交错的时候 我们必然要实现一个功能就是均流 所以均流实际上是在过去这么多年 特别是在通信电源行业领域里面 遇到最大一个问题就是 我们必须要通过一些复杂的硬件外围电路 或者说软件算法来实现 那这点目前在我们比较新的器件上面呢 是完全可以通过软件 通过我们的硬件去当模块 来实现这样的一些功能 那这点对于这个实现是非常有帮助的 那针对这样一个拓扑 实际上TI在最近两年也推出了一个参考方案 那这个方案对于均流的实现是非常有借鉴意义 那除了均流之外 另外一点就是 对于小功率来讲 对于轻载的情况下 实际上它还可以实现一个我们所谓的Phase Shifting 关闭一相 只开一相来进行输出的控制 那么关闭一相是可以帮你 控制边做得更简单 而且对于轻载来说 它实际上是没有必要打开两相的 那同样的道理的话呢 实际上我们还有另外一个拓扑 就是我们所谓的DAB 叫做双有源桥的一个拓扑 双有源桥实际上是Dual Active Bridge 那它实际上有两个有源桥可以使用不同的 但是在这个拓扑里面 我们使用的是左侧 我们会用这个移相全桥 右侧也是移相全桥 中间可以通过这个变压器来连接 但在这种情况下呢 实际上它的控制本身 你既可以使用 那既可以使用这个我们所谓的这个移相全桥本身来控制 也可以使用协整的方式来实现控制 那么甚至于借鉴于我们目前来说比较强大和先进的处理器能力 你的软件上面做这种切换 就是所谓的Hybrid方式也是可以完成的 所以呢 这个对于数字控制来讲其实是一个很大的挑战 但是呢 对于模拟控制来讲是很大的困扰 但是对于数字控制来讲 只要你的处理器能力足够强 你的资源足够丰富 那么对于这样一个实现来说 其实是会变得比较有优势 而且是非常灵活 那同样的道理是对应你的这个 甚至于你的整个平台产品 从低功率到高功率的一个平台 它都可以完成这样的一个控制 那再往上就是我们刚才提到的 level3 这个第三个等级 在充电站或者充电桩的部分 那为了提高效率 提高功率 特别是提高功率的角度来看 那当然提高功率你还是需要提高功率密度 那这个情况下我们还会做一些更复杂的一些拓扑 实际上呢 基本上还是沿用以前面的拓扑来做些改进 那无非就是做交错或者是做多相 那么交错的话你可以看到 实际上这个拓扑跟前面的一个拓扑 只是增加了一个同样的一个控制 那么都是目前一样的都是用这个移相全桥的拓扑 只不过你的控制方式可以进行一个切换 那当然 它最终的目的还是同样会实现你的交错可以减少损耗 同时呢 减少输出纹波 那当然 同样也会遇到刚才 交错式LLC里面遇到的问题就是 我的输出的这个电流的一个均流 那还是需要进行调整 那借鉴于我们在交错是LLC里面可以实现的这个技术 实际上在交错是在DAB里面应该也是可以完成的 那同样的 另外一点就是多相 那比如说这个是一个三相的一个双有源桥 那它的话呢 实际上是会让这个整个系统的控制 做得更复杂 甚至于它整个本身的硬件和软件设计都会复杂很多 但是这个取决于我们在这个处理器主控芯片上面的一个 一个选择 所以这几个部分就是我们提到的 几个常见的拓扑从AC-DC DC-DC 以及针对不同的功率等级和单相 三相 那实现交错 多相来提高我们的功率本身 提高我们的效率以及降低我们的系统成本