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电动汽车驱动 充电桩 SiC器件 LLC谐振 ★ 4.0

一种基于时域解析模型的数字实时计算算法在6.6-kW 300-kHz SiC便携式电动汽车双向CLLC同步整流器中的应用

A Digital Real-Time Computation Algorithm Utilizing Time-Domain Analytic Model for Bidirectional CLLC Synchronous Rectifier in 6.6-kW 300-kHz SiC Portable EV Chargers

作者 Haoran Li · Tong Lei · Cungang Hu · Xirui Zhu · Kun Tan · Xi Tang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 充电桩 SiC器件 LLC谐振
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 同步整流 SiC CLLC 变换器 数字实时计算算法 传导损耗 效率提升
语言:

中文摘要

使用同步整流器(SR)极为重要,因为碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的二极管正向电压可能比硅(Si)MOSFET高至六倍,这会导致高得多的传导损耗。传统的CLLC同步整流通常采用检测电路或构建复杂模型,但它们易受碳化硅器件产生的高dv/dt影响,或者由于复杂的数值计算而难以在线实现同步整流。本文针对双向碳化硅CLLC变换器提出了一种数字实时计算同步整流算法。构建了时域解析模型以在线计算同步整流导通时间。该算法不仅通过优化同步整流MOSFET的导通时间实现了低传导损耗,还对高开关频率噪声具有高抗扰性。搭建了一台300kHz、6.6kW的碳化硅双向CLLC充电器样机,以验证所提出的控制策略。采用所提出的同步整流算法后,CLLC变换器在正向和反向满载模式下的效率分别高达97.56%和97.75%。此外,与传统的同步整流控制相比,CLLC变换器在正向和反向满载模式下的效率分别提高了0.42%和0.35%。所提出的充电器的功率密度相较于Wolfspeed充电器也提高了达20%。

English Abstract

It is extremely important to use synchronous rectifier (SR) as the diode forward voltage of SiC mosfets may be up to six times higher than Si mosfets, which causes much higher conduction loss. Conventional CLLC SR typically uses detection circuits or builds complex models, but they are susceptible to high dv/dt generated from SiC devices, or have difficulty in implementing SR online due to the complex numerical calculation. A digital real-time computation SR algorithm is proposed for bidirectional SiC CLLC converter. Analytic models in the time domain are constructed to calculate the SR conduction time online. It not only achieves low conduction loss by optimizing the on-time of SR MOSFETs, but also provides high immunity to the high switching frequency noise. A prototype of 300-kHz 6.6-kW SiC bidirectional CLLC charger was built to verify the proposed control. With the proposed SR, the CLLC efficiencies are up to 97.56% and 97.75% at full load in the forward and reverse modes, respectively. Moreover, the CLLC full load efficiencies improves 0.42% and 0.35% over the conventional SR control in the forward and reverse modes. The power density of proposed charger increment is also up to 20% over Wolfspeed charger.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的数字实时同步整流算法对我司在电动汽车充电、储能变流器等双向功率变换领域具有重要参考价值。

**技术价值分析:**

该算法针对SiC MOSFET体二极管导通压降高(约为硅器件6倍)的固有缺陷,通过时域解析模型实现同步整流在线优化计算,有效降低导通损耗。相比传统检测电路方案,该方法对SiC器件高dv/dt噪声具有更强免疫力,这与我司在高频化、高功率密度产品开发方向高度契合。实测数据显示双向CLLC拓扑在300kHz开关频率下实现97.56%/97.75%的正反向满载效率,较传统方案提升0.35-0.42%,功率密度较Wolfspeed方案提升20%,这些指标对提升我司充电模块和储能PCS的竞争力具有直接意义。

**应用前景评估:**

该技术在我司便携式充电桩、车载OBC、储能双向变流器等产品线具有明确应用场景。特别是在追求高功率密度和轻量化的便携式/壁挂式充电设备中,300kHz高频化设计可显著减小磁性元件体积。6.6kW功率等级也符合主流单相充电需求,技术成熟度较高。

**技术挑战与机遇:**

主要挑战在于时域解析模型对谐振参数精度敏感,需配合我司现有的参数辨识技术;高频条件下的EMI抑制也需系统优化。但该算法的数字化特性便于与我司现有DSP/FPGA控制平台集成,可快速实现产品化验证。建议优先在新一代双向充电模块中试点应用,积累高频SiC同步整流的工程经验。