恒流、恒压、浮充直流充电桩功率模块控制和驱动电路设计的仿真测试

出处:世强 发布于:2020-01-16 15:10:16 | 155 次阅读

  本项目旨在证明Silicon Labs公司隔离栅极驱动器SI826X/si823x(具体型号:Si8261BBD-C-IS/Si8234BB-D-IS1)在充电桩市场的应用。介绍基于隔离驱动器Si826x/Si823x模块的直流充电桩功率模块的设计方案,选用隔离型全桥DC/DC拓扑,采用数字移相控制策略,应用ZVS软开关技术,输出电压连续可调。本项目针对蓄电池的充放电特性,具有恒流、恒压和浮充的输出特性,满足电动汽车直流快充设备高速、高效的需求。
  数字化控制模块工作原理:该充电桩功率模块的系统框图如图1所示。DC/DC模块输入电源一般从电网侧经单相或三相整流及PFC处理后取得,主电路选用适合大功率变换的隔离型全桥拓扑,其驱动采用数字移相控制策略。为抑制二极管在反向恢复期间的震荡尖峰,在整流桥输出侧加入无源RCD尖峰吸收电路。该功率模块选用RENESAS公司RH850/C1H(具体型号:R7F701270EABG)作为MCU主控单元,通过通信端口可与其所对接的电池管理系统(BMS)对电池负载进行通信识别,结合各采样电路将采样信号送入MCU后经A/D转换、程序运算做出最终的充电控制决策。MCU也对整个充电模块进行监测与保护。当系统超出正常运行范围或出现故障时,可通过硬件保护电路或启动软件保护程序闭锁驱动信号。
   模块控制设计:充电桩模块的控制部分主要由RENESAS公司RH850/C1H MCU、驱动电路、检测与保护电路以及通信模块组成,控制系统以MCU为核心,通过各部分相互协作控制系统正常稳定运行。这里重点讲述MCU模块与驱动电路模块。
  MCU模块:RH850/C1H采用252针引脚封装技术,最大工作频率240MHz的双核控制器,支持浮点运算单元、系统错误通知功能、存储器保护单元,支持2MB程序闪存,8KB的指令高速缓存、32KB的数据缓存。支持时钟的串行接口、CAN接口,支持12位A/D转换器。RH850/C1H微控制器具有解析器/数字转换器(RDC)、增强型电机控制(EMU)单元、功能安全和诊断功能,支持ISO26262。
  驱动电路模块:良好的驱动电路应具有抗干扰能力强和故障保护等特性,对功率模块工作的稳定性和安全性有着至关重要的作用。本次驱动模块选用Silicon Labs隔离栅极驱动器Si826x/Si823x,其为一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,其中Si826x是首款基于CMOS工艺的数字、可直接替换光电耦合隔离式栅极驱动器。之所以选择Si826x/Si823x宅男福利社隔离栅极驱动器,是因为其具有以下优点:
  1、Si826x/Si823x隔离栅极驱动器支持高达5kV隔离等级和10kV浪涌保护。
  2、Si826x/Si823x隔离栅极驱动器采用调制的高频载波,代替LED模拟光电耦合驱动器。其简化的数字架构能提供可靠的隔离数据路径,因而无需在启动时做特殊考虑或初始化。
  3、虽然Si826x/Si823x输入电路模拟LED特性,但是由于驱动电流较小,可获得更高的效率。
  4、Si826x/Si823x器件的传播延迟与输入驱动电流无关,因而连续的传播延时短(25ns)、单元间变化小,并且输入电路设计更加灵活。
  5、Si826x/Si823x隔离栅极驱动器的传播延迟和斜率与光电耦合驱动器相比低10倍,可提升反馈环路的响应时间,增强系统效率。
  6、Si826x/Si823x器件还具备超强的抗干扰能力,在诸如在恶劣嘈杂环境控制充电桩电机时,能提供可靠的长时间无毛刺性能。与光电耦合驱动器不同,隔离式栅极驱动器在全温度和时间范围内性能稳定,不会产生漂移。
  由于以上优势,Si826x/Si823x隔离栅极驱动器比光电耦合驱动器具有更长的服务寿命和显著的高可靠性。Si826x/Si823x器件支持高达30V的栅极驱动电压,峰值输出电流范围0.6-4.0A,可为MOSFET和IGBT应用提供最佳的驱动强度,确保外部开关晶体管的快速开关效率达到最佳状态。在充电桩电源逆变器应用中,Si826x/Si823x栅极驱动器非常适用于驱动功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
  仿真分析:根据系统设计方案,通过Saber软件对该充电系统的相关特性进行了初步的仿真分析,该直流充电桩功率模块仿真电路主要包括ZVS移相全桥主电路、采样电路、补偿运放电路、PWM单元、移相控制单元、死区发生单元。由图2可知,仿真波形与理论分析相符,并可明显看出移相角和死区时间。
 可知,在恒流模式下当负载从15Ω突变到20Ω时,电流出现小幅波动后保持恒定而电压随负载变化而变化。
  充电系统中仿真驱动电路恒压输出特性波形由图4可知,在恒压输出模式下当输出负载从半载突然上升到额定载时,电压输出不变而电流随负载的变换而变化。通过对以上仿真波形的分析,初步验证了该项目设计方案的合理性。
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关键词:充电桩驱动电路设计

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