双通道隔离驱动在OBC上的典型应用

26 05月 2023

2023-05-26 18:20

车载充电器（OBC）是电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的重要组成部分。车载充电机(OBC)为电动汽车(EV)的高压直流电池组提供了从电网充电的关键功能。当将电动汽车通过合适的充电线连接到充电桩时，OBC就会开始充电。

电动汽车的OBC设计需要高功率密度和效率最大化，以充分利用电动汽车空间并最小化重量。双向OBC由一个双向AC/DC转换器组成，通常是一个功率因数校正（PFC）电路，后面则跟着一个隔离的双向DC/DC转换器。如图所示。

典型OBC架构图

随着电动汽车的市场份额不断增加，每辆车的电池装机容量也在增加，消费者还要求为大容量电池提供更快的充电时间。配备足够电池容量的电动汽车将有可能充当储能系统，实现在各种场景下的放电功能，如家庭用电、车辆到电网的馈电，或是进行车辆到车辆充电。因此，OBC正在从单向拓扑到双向拓扑转变，采用双向OBC提高系统效率是一种普遍趋势。

另外，针对高性能的电动汽车，电池工作电压将逐渐从400 V增加到800 V。随之带来的就是传统的SI MOS管已不能满足需求，而IGBT的工作频率又不能满足开关电源的高频需求。因此，各大新能源车厂逐渐将目光聚焦在SiC MOS上。

一般OBC前级PFC采用图腾PFC拓扑，图腾柱PFC包含两个以不同频率工作的半桥，高频部分（S1~S4）采用650V的SiC MOS，工频部分（S5~S6）采用SI MOS或IGBT。高频桥臂进行升压、整流，以高频率切换。低频桥臂主要对输入电压进行整流，在50/60 Hz的频率下切换。

单向OBC中的DC/DC转换器通常是LLC谐振转换器，但这是一种单向拓扑，在反向放电工作模式下，转换器的电压增益受到限制，从而降低了其性能。因此，下图中的双向CLLC谐振转换器更适合DC/DC级，因为它在充电和放电模式下都结合了高效率和宽输出电压范围。而DC-DC这级原边常采用650V的SI MOS，副边高压输出常采用1200V SiC MOS。

随着SiC MOS管的大量使用，在开关过程中会出现尖峰，这与电压电流的瞬态变化以及寄生参数(电感、电容)有关，特别是针对高频开关。在SiC MOS开通过程中，伴随很大的电压瞬变，即dv/dt，从而在寄生电容中产生大的位移电流Cdv/dt，形成电流尖峰；在MOS关断过程中，通道内产生电流瞬变di/dt，瞬变电流在寄生电感端产生尖峰电压U=Ldi/dt。

因此，根据公式u=Ldi/dt，在削减尖峰时我们可以相应从这几个方面进行考虑：

MOSFET关断前的电流

开关速度

电路中电感（包括寄生电感）

针对OBC的这些应用需求，隔离驱动比非隔离驱动，在传输延时，可靠性，尺寸方面都存在很大的优势。并且在系统成本，器件集成度上都会有很明显的改善。因此，荣湃推出了双通道隔离驱动Pai8233系列来满足这些需求。如下是荣湃双通道隔离驱动在OBC上的典型应用框图。

在OBC的应用中，当非理想的PCB布局和长封装引线引入寄生电感时，开关期间开关管的栅-源极电压会因为高di/dt和dv/dt而产生高振铃。如果振铃超过开关管的栅极阈值电压，则存在意外接通和直通的风险。在开关管上施加负压是一种将振铃保持在阈值以下的常用方法。以下是实现栅极负压关断的一个示例。

在二次侧隔离电源上使用齐纳二极管构造一个负电源电压，为驱动器输出提供负压，让开关管实现负压关断。

负压由齐纳二极管电压设置，如果隔离电源VDDA等于25V，关断电压为-5.1 V，开通电压为25V-5.1V≈20V。

Pai8233性能优势：

●每个输出可以实现低至19ns传播延迟和5ns的最大延迟匹配

●提供最大4A/8A的拉灌电流能力

●在SOIC-14宽体封装中提供5000VRMS隔离