Dvoustupňový DC-DC izolovaný převodník pro aplikace nabíjení baterií

     Tento článek navrhuje a analyzuje dvoustupňový izolovaný DC-DC převodník pro aplikace nabíjení elektrických vozidel, kde je požadována vysoká efektivita v širokém rozsahu napětí baterie. Navrhovaný převodní obvod zahrnuje první izolační stupeň s resonantní strukturou CLLC a druhý stupeň s buck regulátorem se dvěma vstupy. Transformátor prvního stupně je navržen tak, aby jeho dva výstupní napětí odpovídala ideálně minimálnímu a maximálnímu očekávanému napětí dodávanému baterii. Poté kombinuje druhý stupeň napětí poskytnutá předchozím izolačním stupněm, aby reguloval výstupní napětí celého převodníku. První stupeň je vždy provozován v rezonanci, s jedinou funkcí poskytnutí izolace a pevných konverzních poměrů s minimálními ztrátami, zatímco druhý stupeň umožňuje regulační výstupní napětí v širokém rozsahu napětí baterie. Celkově je ukázáno, že řešení má vysokou konverzní efektivitu v širokém rozsahu výstupních napětí.

1.Úvod

    Elektrická doprava získává na významu ve mnoha zemích kvůli rostoucím obavám ohledně globálních emisí skleníkových plynů a zásob fosilních paliv. Tyto obavy nedávno podpořily exponenciální růst poptávky po elektrických vozidlech (EV). Tato vysoká poptávka spolu s snahou o delší dojezd a zkrácení doby nabíjení vedou k novým generacím EV s vyšší kapacitou baterií a rychlejšími nabíjecími sazbami. V důsledku toho jsou potřebné nové staničení pro nabíjení EV, která budou schopna dodávat více energie a rychleji než kdy předtím.

2.Struktura a princip fungování

    Jak je znázorněno na obrázku, navrhovaný dvoustupňový převodník se skládá z prvního izolačního stupně založeného na LLC resonantním převodníku a druhého stupně post-regulátoru založeného na buck převodníku. Tento post-regulátor je odpovědný za regulační výstupní napětí a je napájen vysokoefektivním dvouvýstupovým DCX převodníkem s sekundárními napětím V1 a V2. Z obrázku je zřejmé, že napěťové namáhání post-regulátoru, tedy V1−V2, je nižší než výstupní napětí Vo, což umožňuje použití přepínacích součástek s menší on-resistance a nižšími přepínacími ztrátami.

3.Návrh LLC stupně fungujícího jako DCX

     Když je LLC rezonanční nádrž provozována na rezonanční frekvenci, poměr napěťové konverze se stává ideálně nezávislý na skutečném zatížení. Jinak řečeno, LLC převodník udržuje konstantní poměr napěťové konverze a automaticky upravuje svou proudovou hodnotu podle zatížení, chovajíc se jako DCX. V této pracovním stavu dosahuje LLC své maximální efektivity s minimálním tokem reaktivní energie a splněnými podmínkami pro nulové napěťové přepínání (ZVS) a nulové proudové přepínání (ZCS). Zvláště pozoruhodné je, že pro DCX provoz LLC není potřeba externí rezonanční cívka, protože konverzní zisk je pevně stanoven. Ekvivalentní řešení založené na rezonančním FB-LLC navrženém pro stejný široký rozsah výstupních napětí by mělo vykazovat vyšší ztráty než LLC v trvalých DCX podmínkách.

4.Závěr

     Konverzní výkony pokrývající celý rozsah výkonu a napětí byly experimentálně zaznamenány, ukazujíce vysokou efektivitu v širokém rozsahu provozních podmínek, s vrcholovou efektivitou 98,63% při výstupním napětí 500V a přenášeném výkonu 7kW.   Ve finálních aplikacích lze pro škálování napěťových nebo proudových hodnot konečné implementace zvážit sériové nebo paralelní spojení více modulů, díky izolovanému výstupu.   Budoucí studie mohou zahrnovat online regulační systémy pro optimální modulaci převodníku a postupy pro optimální návrh komponent převodníku, jako jsou výstupní TBB cívky.

Zdroj: IEEE Xplore

Poznámka: Respektujte původ, kvalitní články jsou hodné sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, prosím, kontaktujte nás pro odstranění