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为了优化电动汽车(EV)的电源，车载充电器(OBC)必须高效、轻便、小巧。电动汽车重量减轻后，也需要更低的功率来驱动，从而提高OBC性能整体效率。

OBC充电需要支持适当的电网到车辆(G2V)电压和当前的电池充电算法；因此，OBC可以作为电网和电动汽车之间的功率调节接口（图1）。此外，OBC必须能够通过车辆到电网(V2G)供电，为电动汽车补充峰值容量可能波动的可再生能源。

图1 OBC需要支持适当的G2V电压并通过V2G供电

为方便电网和电动汽车内的高压电池连接，OBC充电需要一个电磁干扰(EMI)滤波器、功率因数校正(PFC)和一个隔离式直流/直流功率级。图2展示了此OBC架构。

图2 这个简化原理图显示了OBC如何作为电网和电池之间的接口

本次讨论的OBC性能范围仅限于直流/直流级。截至撰写本文时，直流/直流级的两种常见选择是电容-电感-电感-电容(CLLLC)和双有源电桥(DAB)拓扑（图3和4）。这两个选项都可以实现OBC性能小尺寸解决方案，并满足必要的G2V和V2G功率需求。

图3该原理图显示了CLLLC的基本拓扑

图4 该原理图显示了DAB拓扑

更大限度地提高OBC性能并减小其尺寸

为了理解这两种OBC拓扑选项如何影响OBC的尺寸和性能，本文进一步将范围限制OBC性能在电池充电运行阶段（或G2V），考虑OBC如何通过提供开关可承受的最大电池功率来更大限度缩短OBC充电时间。例如，请考虑OBC在以下工作条件下运行的开关：

• P_DISS=20W

• ϑ_JA=3°C/W

• T_A=65°C

根据公式1，开关的T_J=125°C：

T_J=P_DISS⋅ϑ_JA+T_A (1)

此OBC设计中的开关不能承受高于125°C的温度；因此，该条件代表OBC充电在不影响开关性能的情况下可为电池提供的最高功率级别。目标是更大程度地降低OBC开关中的功率耗散，并尽快为电池充电。

有两大因素决定了开关中的大部分OBC功率损耗：均方根(RMS)电流和开关保持零电压开关(ZVS)的能力。

鉴于OBC低电容及快速导通和关断特性，德州仪器(TI)的GaN开关能够使转换器运行时的开关频率比硅片的更高。更高的工作频率直接影响无功元件的OBC尺寸，并实现更小的变压器、电感器和电容器。本文首先为DAB和CLLLC建立基准设计，然后探讨如何增强电路来扩展转换器的ZVS范围。

基准DAB和CLLLC性能比较

表1概述了OBC的基本要求。

表1 OBC电源要求

为DAB和CLLLC创建详细的OBC充电设计有助于确定更可行的储能回路设计。OBC设计过程超出了本文的讨论范围；然而，电路仿真最好能够充分地估算开关中的损耗，并验证与总体功能的符合性。本文将OBC性能仿真器配置为在不同的功率级别以及输入和输出电压下以批量模式运行，并测试了不同的DAB和CLLLC电感、电容和匝数比等值。在每次OBC性能仿真运行中，本文都会收集有关VIN、VOUT、开关功率、RMS电流和开关ZVS条件等参数的数据。表2总结了两种优化的OBC充电拓扑设计。

表2 DAB和CLLLC优化设计

图5突出展示了各OBC充电仿真结果。虽然每个拓扑中有八个开关，但图表仅绘制了功率损耗最高的开关。对于每个开关，都有三个图。第一个是开关中的总损耗。第二个是流经开关的RMS电流。最右侧的第三个图展示了特定GaN开关开启时最坏情况下的漏源电压。这是ZVS损耗量的关键指标；OBC充电电压越高，相应开关中的OBC性能损耗越大。因此，开关的RMS电流及其维持ZVS的能力决定OBC器件的主要功率损耗。

图5 仿真结果显示了CLLLC和DAB的RMS和ZVS基本情况

通过仔细研究上述数据，可以明显地看出CLLLC能够在更宽的运行范围内维持ZVS。因此，增强型ZVS有助于降低CLLLC开关中的功率损耗。话虽如此，但在6.6kW运行功率下，DAB具有卓越的性能，这得益于它在大部分范围内具有良好的ZVS和更低的RMS电流。这些观察OBC充电结果建议寻找一种方法来改进ZVS，而不对RMS电流产生不利影响。

利用换向电感器提高ZVS

图6和图7展示了与图3和4相同的CLLLC和DAB电路，其中在拓扑中添加了额外的电感器（以黄色突出显示），以便提供在更宽的OBC工作范围内维持ZVS所需的额外电流。现在，假设有一种情况，即这些额外的电感器始终可以正常工作。

图6 该原理图显示了带换向电感器的CLLLC

图7 该原理图显示了具有换向电感器的DAB

为便于参考，表3列出了新增OBC电感器的值，其他储能回路参数与上表相同。

表3 具有换向电感器(LC)值的DAB和CLLLC设计

图8展示了重复图5中的OBC性能仿真后的结果。

图8 每个电路的RMS和ZVS结果显示了LC的影响

在这种情况下，请注意DAB能够在整个工作条件范围内实现全ZVS。GaN开关的VDS在开通时始终为0V这一事实清楚地说明了这一点。CLLLC虽然无法实现完整的ZVS，但能够明显改善ZVS。不过，还要注意，ZVS的改善会显著降低两种拓扑中的RMS电流。仅从功率损耗来看，DAB转换器似乎在大部分范围中都具有优势。

言归正传，本文将比较图8和图5，您会发现在某些情况下换向电感器实际上会增加损耗。这就引出了一个问题：是否有可能创建一种混合方法，将图5和图8中所示的损耗降到最低？

尽量减少总损耗：一举多得

增加换向电感器可实现更广泛的工作条件，其中转换器可保持ZVS。当转换器无法保持ZVS时，这种做法具有巨大优势。换向电感器的问题在于，它只会在无ZVS时改善损耗。如果转换器已经处于ZVS中，则换向电感器会因电流增加而影响运行，从而导致OBC开关中的欧姆损耗更大。

这个思维过程产生了一种混合测试方法，其中换向电感器在较重负载下保持关闭状态，在较轻负载下开启。图9显示了重复使用此方法进行OBC充电仿真后的结果，这使OBC充电设计能够利用每种拓扑的较低RMS电流和重负载下的自然ZVS能力。

为了防止OBC开关中出现不需要的RMS电流或解决方案尺寸，本文只是谨慎增加了足够的换向电感和工作时间，以适应OBC开关的热范围。请注意，DAB转换器不能在工作范围内实现全ZVS。ZVS得到了很大改善，但仅在需要时保持在上述的20W开关目标范围内。

图9 这些是使用混合方法获得的RMS和ZVS结果

为了更好地体现OBC性能各种权衡因素，图10总结了每种情况的功率损耗。您可以看到在OBC开关中的功率损耗方面，DAB转换器具有明显优势。

图10 每种情况下的功率损耗摘要有助于直观显示各种权衡

为了更好地说明这两个OBC转换器之间的性能，图11更改格式重新绘制了图10中所示的OBC性能数据。该图显示了假设OBC开关不能安全地耗散超过20W的功率，每个OBC转换器可提供的最大功率。请记住，20W表示OBC开关可承受的最大损耗且仍保持结温低于125°C。

图11 该图显示了每个转换器可提供的最大功率

CLLLC更好，还是DAB更好？

图11中的蓝线在红线上方证明了DAB转换器能够在整个范围内提供比CLLLC更大的功率。这使人们很容易以为DAB是当之无愧的赢家。但是，请记住超小尺寸和重量是OBC性能的核心要求。DAB转换器需要两个额外的电感器，但CLLLC只需要一个。因此本文认为，CLLLC更胜一筹。

与大多数工程设计工作一样，最好的方法大多就是根据OBC充电要求进行权衡。获得巨大优势往往会有代价，这次也不例外。本文认为，CLLLC在尺寸方面比DAB更具优势。