【導(dǎo)讀】在本系列的前幾篇文章中，我們介紹了電動(dòng)車(chē)快充系統(tǒng)的主要系統(tǒng)要求，概述了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵階段以及認(rèn)識(shí)了參與設(shè)計(jì)25 kW SiC直流快充系統(tǒng)的工程師團(tuán)隊(duì)。
現(xiàn)在，讓我們更深入了解25 kW SiC快充設(shè)計(jì)。在第一、第二部分中我們聊了聊所選擇的規(guī)格、拓?fù)浜褪袌?chǎng)背景，今天我們將著重于AC-DC轉(zhuǎn)換部分的仿真，同時(shí)還有在之前被稱(chēng)為“三相有源整流”部分，簡(jiǎn)稱(chēng)PFC。
如第一部分中提到，電源仿真有助于在設(shè)計(jì)和構(gòu)建硬件系統(tǒng)之前驗(yàn)證假設(shè)，發(fā)現(xiàn)在器件選型、PCB layout、甚至后期測(cè)試中可能存在的問(wèn)題。例如，仿真能幫助我們測(cè)試有關(guān)電壓、電流、開(kāi)關(guān)頻率、損耗、散熱和控制算法的工作。
除了驗(yàn)證，仿真的結(jié)果還有助于解決設(shè)計(jì)過(guò)程中其它重要的步驟，比如被動(dòng)器件的選擇。一套有效的仿真流程能夠減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的調(diào)試以及硬件損耗，加快整個(gè)過(guò)程。
仿真之前的準(zhǔn)備工作
在仿真開(kāi)始之前，事前準(zhǔn)備也是十分重要的。下面列出了我們認(rèn)為最重要的幾項(xiàng)準(zhǔn)備工作，以及對(duì)應(yīng)的處理方式。
仿真的目標(biāo)
事前想好仿真目標(biāo)是非常重要的。目標(biāo)會(huì)影響建立仿真模型的細(xì)節(jié)，我們將會(huì)在下一部分中著重提到。在這個(gè)項(xiàng)目中，PFC的電源仿真幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：
● 在硬件設(shè)計(jì)前進(jìn)行PFC的功能驗(yàn)證
● 確認(rèn)工作節(jié)點(diǎn)時(shí)的DC輸出電壓、電流、功率，應(yīng)當(dāng)滿足其它系統(tǒng)要求。
● 確認(rèn)以70 kHz開(kāi)關(guān)頻率下的效率值可以達(dá)標(biāo)
● 預(yù)估了功耗
● 確認(rèn)了柵極驅(qū)動(dòng)器的柵極電阻值(Demo的起始值)
● 確認(rèn)了PFC電感的參數(shù)(可發(fā)給電感供應(yīng)商，加速供貨周期)
● 基于電流紋波(臨界值)，ESR，容值和電壓，確認(rèn)了電解電容參數(shù)
電源仿真模型和軟件
仿真模型是整個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵。模型再現(xiàn)了電路中每個(gè)器件的功能和參數(shù)。模型中的每個(gè)器件，比如：開(kāi)關(guān)管、二極管、柵極驅(qū)動(dòng)器以及被動(dòng)器件，都可以用不同程度的參數(shù)增加細(xì)節(jié)。當(dāng)然也存在難以建模的器件。一套復(fù)雜的模型運(yùn)行起來(lái)會(huì)更加耗時(shí)，較簡(jiǎn)單的模型能夠在許多不同系統(tǒng)條件下進(jìn)行仿真，從而對(duì)應(yīng)不同問(wèn)題。
本次系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)捷徑是簡(jiǎn)化模型，從而加速仿真和設(shè)計(jì)過(guò)程。當(dāng)然，模型的精確性是非常關(guān)鍵的，會(huì)大大影響到結(jié)果。我們對(duì)不影響功能和電氣參數(shù)的器件模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，而對(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行了更加精確的建模。
仿真軟件
電源仿真常常基于已有的SPICE模型，在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用了SIMetrix，混合模式的仿真軟件，為快速收斂提供強(qiáng)大的仿真功能。
輸入?yún)?shù)
模擬的最后一個(gè)基本要素是評(píng)估那些特定器件和參數(shù)。這樣的仿真能夠幫助我們提供這些滿足系統(tǒng)要求的參數(shù)的最佳組合。本次設(shè)計(jì)中，我們認(rèn)為最重要的器件有：
1. PFC電感。PFC電感的參數(shù)應(yīng)當(dāng)盡早地根據(jù)應(yīng)用的要求，輸入電壓，功率和電流確定。其次，我們應(yīng)該考慮它的尺寸和性價(jià)比。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)計(jì)算并估計(jì)感值應(yīng)該在幾十μH以內(nèi)。
2. 輸出電容。電容的選擇基于回路電流和紋波電壓，由于DC母線的電壓較高(約1000 V)，所以我們需要幾個(gè)串聯(lián)的電解電容來(lái)對(duì)應(yīng)高母線電壓。
3. 開(kāi)關(guān)頻率。頻率值是由給定的電感值和電網(wǎng)要求預(yù)先確定的。如第二部分提到的，70 Hz是同時(shí)能滿足效率和EMI要求的方案。
這些通過(guò)各種方法確認(rèn)參數(shù)的初始值會(huì)通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。用于確定初始值的方法包括：標(biāo)準(zhǔn)容感設(shè)計(jì)計(jì)算、借鑒現(xiàn)有設(shè)計(jì)、歷史文獻(xiàn)和圖紙。利用深入分析這些方法，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行有根據(jù)的猜測(cè)，我們將在后面的仿真結(jié)果中再次提到。
開(kāi)始仿真
在這個(gè)部分中，我們將介紹為本次設(shè)計(jì)建立的仿真模型(次模型)，并重點(diǎn)解釋模型特點(diǎn)以及被忽略的內(nèi)容。此外，還有針對(duì)不是基礎(chǔ)或必要的模型所采取的措施。最后是一份總結(jié)表。
圖1顯示了在SIMetrix中的仿真模型，包括功率部分(上)和PWM部分(下)。后續(xù)會(huì)帶來(lái)有關(guān)算法的內(nèi)容。
PWM調(diào)制回路基于一個(gè)典型的空間矢量脈寬調(diào)制算法(SVPWM)，能夠簡(jiǎn)化控制回路并使其通過(guò)PI調(diào)節(jié)器尋址。我們使用了測(cè)量出的主相電壓作為控制器輸入來(lái)簡(jiǎn)化模型，而在實(shí)際的硬件系統(tǒng)里，我們需要在數(shù)字域中使用鎖相環(huán)來(lái)測(cè)量瞬時(shí)電源參考電壓。
圖1. PFC部分的SIMetrix模型
母線和母線網(wǎng)絡(luò)模型
電源模型由3條可配置的母線組成，能產(chǎn)生相位差為120°的50/60 Hz正弦曲線。初始相位可以更改，對(duì)于驗(yàn)證輸入的浪涌電流保護(hù)回路很有幫助。為了方便考慮，大部分仿真模型中的負(fù)載都為阻性負(fù)載。
作為仿真的一部分，我們需要基本的、針對(duì)輸入濾波的差模傳導(dǎo)干擾(CE)的驗(yàn)證，可以在電源和濾波器之間插入人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN，Artificial Mains Network)或阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN，Line Impedance Stabilization Network，根據(jù)CISPR22)。對(duì)于這塊內(nèi)容，我們不在本系列進(jìn)行討論。電網(wǎng)的模型也包括了影響控制的交流電網(wǎng)阻抗，因此加入仿真可以提高仿真的精確度。
輸入濾波
輸入濾波是變換器的第一個(gè)部分，這次仿真我們不會(huì)做任何輸入濾波模型的設(shè)計(jì)，所以采用了一個(gè)簡(jiǎn)化的模型(圖2) 。如第二部分所提到的，那是一個(gè)現(xiàn)成的模型。
在這次的仿真中加入濾波器件帶來(lái)了兩個(gè)好處。第一，濾波器的輸出阻抗是PFC控制回路的一部分，沒(méi)有它我們很難得到一個(gè)可靠的PFC回路。在設(shè)計(jì)階段，不考慮EMI濾波終究會(huì)給你的產(chǎn)品帶來(lái)麻煩。
第二，為了得到一個(gè)更精確的效率和熱管理的模擬，我們也將了濾波器的功率損失加入仿真。再次強(qiáng)調(diào)本次仿真的其中一個(gè)目標(biāo)是為了驗(yàn)證我們的控制方案，以及會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品性能有影響的器件。
圖2. 輸入濾波回路模型
浪涌電流保護(hù)
浪涌電流保護(hù)是EV充電系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，我們也需要為這一環(huán)做好仿真。該模型的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，典型的三相系統(tǒng)，其中兩相由電阻和繼電器并聯(lián)構(gòu)成，如圖3。由于系統(tǒng)并不涉及到中性線，所以不必在第三相上增加電阻。(圖1中的電阻R代表了連接產(chǎn)生的等效電阻。)
圖3. 浪涌電流保護(hù)模型
一般來(lái)說(shuō)，浪涌電流的仿真能夠驗(yàn)證由電阻產(chǎn)生的最大能量耗散，從而幫助選擇正確的元器件。
PFC電感模型
SPICE仿真軟件能提供自帶的電感模型，但較為簡(jiǎn)單且無(wú)法體現(xiàn)功率系統(tǒng)里電感的重要特性，比如自飽和和自諧振效應(yīng)。圖4中我們建立的模型則包含了這一些重要部分。電感飽和效應(yīng)參考查找表，提供了相對(duì)磁感率(μr)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)的關(guān)系。繞組損耗由一顆串聯(lián)電阻體現(xiàn)。圖4說(shuō)明了更多有關(guān)這些元素在模型中的細(xì)節(jié)。
圖4. 帶飽和和自諧振效應(yīng)的電感模型。
飽和效應(yīng)(感值隨著不同工作電流變化)的建模是根據(jù)查找表和磁性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)公式：(1) L = μ0 μr ( Ae/Le) N2，(2) H = (N × I)/Le ，(3) 查找表μr = f(H)，(4) VL = L × dI/dt，B1為電感電壓。L和dI/dt分別由(1)號(hào)公式和(4)號(hào)公式根據(jù)測(cè)試電感L1 (1H)推導(dǎo)得到。F1是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的電流源，1：1匝數(shù)比，輸出等于電感模型測(cè)量值。因?yàn)長(zhǎng)1 = 1H，所以dI/dt = V (dI_dt-REF) 。F1對(duì)電感模型沒(méi)有任何影響，僅在計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的VL、PFC的系統(tǒng)中，用于推導(dǎo)dI/dt。L (B1、F1和L1)、Cp和Rp模擬了電感的自諧振特性。
功率部分模型
功率部分是整個(gè)功率變換的重點(diǎn)，也是仿真模型的關(guān)鍵。它包含了3個(gè)半橋SiC模塊和柵極驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整體性能的影響相當(dāng)顯著(對(duì)基于SiC的系統(tǒng)影響更大)，所以我們強(qiáng)烈建議將其加入整體仿真，哪怕只囊括部分。然而目前的問(wèn)題是已有的柵極驅(qū)動(dòng)器的模型為了適應(yīng)更多常見(jiàn)往往設(shè)計(jì)得較為復(fù)雜。一般而言，對(duì)系統(tǒng)級(jí)的模擬，或者說(shuō)對(duì)本次項(xiàng)目的模擬，一個(gè)簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)模型就已經(jīng)足夠了。
盡管驅(qū)動(dòng)的參數(shù)表里不會(huì)詳細(xì)的體現(xiàn)I-V關(guān)系，但我們可以通過(guò)使用特定幾個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輸出參數(shù)(最大輸出/吸收電流)和上升下降時(shí)間來(lái)得到一個(gè)輸出特性的近似值，從而提高了仿真的精確性和一個(gè)可接受的計(jì)算時(shí)間。我們使用這種方法來(lái)模擬柵極驅(qū)動(dòng)器NCD57000。(圖5)
圖5. A相的功率部分模型
功率模塊
為功率模塊中的SiC MOSFET建模，顯而易見(jiàn)地是整體仿真的關(guān)鍵步驟。如同柵極驅(qū)動(dòng)器，也有具有相當(dāng)詳細(xì)的SiC MOSFET的模型存在，這些通常用于設(shè)備特性描述和提取任何工作條件下的設(shè)備參數(shù)。這些模型擴(kuò)展了數(shù)據(jù)表中往往在特點(diǎn)工作點(diǎn)下所展示的信
息[3]。
然而，在我們的仿真模型中，我們需要6個(gè)不同的開(kāi)關(guān)器件，而這些模型會(huì)讓仿真變得相當(dāng)緩慢。趨同問(wèn)題也經(jīng)常出現(xiàn)。所以在這種情況下，我們可以采用一種實(shí)用的方法：創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)化的，包含對(duì)整體系統(tǒng)有巨大影響的主要元素和特性的模型。(圖6)
圖6. 簡(jiǎn)化后的MOSFET模型
上圖的模型能夠體現(xiàn)以下幾個(gè)SiC MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)：3個(gè)主要的寄生電容，RDS(ON)和體二極管的壓降VF。這些不是單個(gè)數(shù)值，而是不同工作情況下的特征曲線。
需要注意的是寄生電容的參數(shù)隨著VDS的變化而變化。VDS的特性表往往會(huì)在產(chǎn)品手冊(cè)中提供，但需要一些推導(dǎo)計(jì)算。我們用下方程來(lái)計(jì)算模型數(shù)值，3個(gè)寄生參數(shù)分別以CISS，COSS和CRSS表示。
● Cgd = CRSS
● Cgs = CISS – CRSS
● Cds = COSS – CRSS
圖7表示本次項(xiàng)目中使用的仿真模型，容值的非線性曲線基于參數(shù)對(duì)照表。
圖7. Cgd的模型。Cgs和Cds的模型相同，但容值不同。
SIC MOSFET的RDS(ON)很大程度上取決于柵極電壓VGS，其特性包含于“B_rds”的模型中。雖然VGS對(duì)RDS(ON)的影響很大，但它也會(huì)一定程度上隨瞬時(shí)ID和VDS變化，不過(guò)在本次仿真中，不考慮這個(gè)特性帶來(lái)的影響。
體二極管的VF-電流特性可以簡(jiǎn)單地建立一個(gè)電壓電流查找表來(lái)建模。流過(guò)二極管的電流和體二極管地壓降VF有關(guān)。體二極管的VF特性也許并不是對(duì)所有的應(yīng)用都有用，但在三相PFC中，體二極管在整流電路中是相當(dāng)重要的，而且其VF-電流特性會(huì)顯著地影響開(kāi)關(guān)死區(qū)的設(shè)置，所以在整個(gè)系統(tǒng)中非常重要。二極管的反向恢復(fù)特性在本次仿真中不被考慮。
需要強(qiáng)調(diào)的是基本的SiC MOSFET模型不包括PIN腳產(chǎn)生的寄生電感和電阻。所以添加一個(gè)內(nèi)置的電阻能夠更好地再現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性(dV/dt)，從而選擇或優(yōu)化柵極電阻。其次，為了準(zhǔn)確再現(xiàn)工作期間的電壓尖峰，強(qiáng)烈建議對(duì)寄生電感進(jìn)行建模，但對(duì)系統(tǒng)級(jí)別的驗(yàn)證來(lái)說(shuō)沒(méi)有那么關(guān)鍵，而且我們可以在實(shí)際操作的時(shí)候通過(guò)調(diào)整柵極電阻來(lái)優(yōu)化開(kāi)關(guān)特性。
表一總結(jié)了仿真模型的內(nèi)容以及每個(gè)部分仿真的輸出。最終實(shí)際結(jié)果應(yīng)當(dāng)滿足仿真結(jié)果，并且能解決我們預(yù)想的設(shè)計(jì)問(wèn)題。
表1. 仿真模型總結(jié)：仿真包含的部分以及在仿真模型中的體現(xiàn)
仿真結(jié)果
在完成了建立仿真模型這項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)后，我們快進(jìn)到有意思的部分——使用并評(píng)估結(jié)論。
為了解決我們的問(wèn)題，基于圖2總結(jié)的變量，我們進(jìn)行了一系列的仿真。在以下內(nèi)容中，我們將展示得到的結(jié)果、我們對(duì)這些結(jié)果的觀察以及基于這些結(jié)果的設(shè)計(jì)決策。
為了清晰起見(jiàn)，本章節(jié)末尾的表3總結(jié)了所有這些解釋和說(shuō)明。
PFC部分的效率
系統(tǒng)效率對(duì)整體仿真的結(jié)果相當(dāng)關(guān)鍵。圖8，圖9和圖10體現(xiàn)了效率值和相關(guān)的損耗。如我們預(yù)想的，更高的輸入電壓會(huì)帶來(lái)更高的整體效率，因?yàn)镮PHASE降低(圖8)。
對(duì)于不同電感帶來(lái)的結(jié)果，可以看到更高的感值可能會(huì)帶來(lái)更高的效率。然而，有許多其它的器件會(huì)影響結(jié)果。它展示了仿真帶來(lái)的好處，因?yàn)樾视?jì)算和不同工作節(jié)點(diǎn)時(shí)器件考量是非常繁瑣的。圖10提供了繞組損耗的細(xì)節(jié)；不同感值帶來(lái)的繞組損耗差異比系統(tǒng)損耗差異小。
圖8. PFC部分的效率和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
圖9. PFC部分的損耗和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
圖10. PFC部分的電感損耗和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
有關(guān)功率模塊的損耗，仿真帶來(lái)了有趣的信息(圖11)。模塊的損耗僅和感值相關(guān)。原因應(yīng)該是更低的感值會(huì)帶來(lái)更大的紋波電流，紋波電流越大，導(dǎo)通電流越低，所以開(kāi)關(guān)損耗也降低了。
圖11. PIM模塊的整體損耗和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
然而，功率模塊和感值沒(méi)有直接聯(lián)系，因?yàn)檎{(diào)節(jié)的過(guò)程和PWM等也造成了影響。基于實(shí)際模型的仿真有助于預(yù)測(cè)結(jié)論即使無(wú)法直接確定實(shí)際關(guān)系。
最有趣的發(fā)現(xiàn)是模型中多個(gè)元素(器件)造成的損耗分布(圖12)。這個(gè)分布圖能夠幫我們搞清楚損耗的來(lái)源以及哪些部分需要關(guān)注從而提高效率。本次設(shè)計(jì)中，我們證明了在各種情況下系統(tǒng)效率都會(huì)大于98%，所以有關(guān)效率，沒(méi)有什么問(wèn)題。有了這些結(jié)果，我們可以選擇最能滿足其余系統(tǒng)需求的解決方案。
圖12. 損耗的示意圖。仿真的主要條件是VIN=230 V，POUT=26.5 kW，VOUT=800 V，感值容值為245 μH、4×470 μF。仿真的時(shí)間為50ms。能量損耗計(jì)算時(shí)，時(shí)間設(shè)置基本考慮30ms至50ms (用“30ms % 50ms”表示)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定階段。
浪涌電流仿真
浪涌電流控制仿真的主要目的是為了確認(rèn)尖峰和電流有效值，以及在啟動(dòng)時(shí)由限流電阻帶來(lái)的損耗。這項(xiàng)仿真能夠幫助我們?nèi)ヲ?yàn)證限流電阻的選型。
一般來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)時(shí)的峰值相電流(100 μs以內(nèi))被限制在額定值的數(shù)倍。同樣的，最大的相電流有效值也可以通過(guò)設(shè)置一個(gè)重復(fù)啟動(dòng)前的等待周期(幾秒鐘)來(lái)限制。
圖13和圖14展示了我們的系統(tǒng)在最差情況下的結(jié)果：母線相-零電壓為310 Vrms，A相從0點(diǎn)偏移了-30°，450 μF的輸出電容完全被耗盡。仿真告訴我們重復(fù)啟動(dòng)應(yīng)該設(shè)置一個(gè)4.19秒的冷卻時(shí)間以確保7 W的損耗要求(抗浪涌電阻的功耗)。然而，一般來(lái)說(shuō)充電系統(tǒng)不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)啟動(dòng)(幾秒內(nèi))。
圖13. 浪涌電流保護(hù)。最差情況下，啟動(dòng)時(shí)功率損耗(頂部)和能量耗散(底部)波形，浪涌保護(hù)時(shí)COUT=450 μF，VIN=310 Vac。浪涌保護(hù)由每相2個(gè)33Ω電阻串聯(lián)組成(共4個(gè)電阻)。紅線：一顆抗浪涌電阻功率和能量(A相)。藍(lán)線：一顆抗浪涌電阻功率和能量(B相)。A相和B相分別由24.81J和29.29J能量耗散，7W的功耗限制下的冷卻時(shí)間分別是3.55秒和4.19秒。
圖14. 浪涌電流保護(hù)。浪涌電流保護(hù)時(shí)A相和B相的輸入電流以及PFC輸出電壓。與圖13一樣，與保護(hù)電流和COUT有關(guān)。
PFC參數(shù)
功率因數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的要求，EV快充規(guī)定要求功率因數(shù)滿載下必須達(dá)到0.99。圖15驗(yàn)證了所有設(shè)計(jì)都能滿足功率因數(shù)要求，圖16呈現(xiàn)了一個(gè)完美的正弦電流波形以及IPHASE-VINPHASE關(guān)系。
無(wú)論感值如何變化，IPHASE,RMS幾乎保持不變(圖17)，與總體效率結(jié)果相吻合(圖8)，因?yàn)椴煌吞?hào)的電感之間的變化也非常小。在峰值電流上可以觀察到稍大的變化(圖18)，但I(xiàn)PHASE,PEAK值對(duì)功率損失并不關(guān)鍵，因?yàn)镮PHASE,RMS才是用于估計(jì)損失和效率的主要因素。
可以確定地是電流越大，系統(tǒng)損耗越大。總諧波失真(THD)結(jié)果也體現(xiàn)了這一點(diǎn)(圖19)。
圖15. 功率因數(shù)和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系。所有情況的功率因數(shù)均>0.99。
圖16. 相電流曲線，PFC電感245 μH。PFC A相功率因數(shù)0.999，VIN=230 V。
圖17. 輸入電流有效值和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系。
圖18. 輸入電流峰值和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系。
圖19. 輸入電流總諧波失真(THD)和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系。
PFC電感工作條件
如表1提到的，徹底了解電感電流對(duì)設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的PFC電感很有幫助。設(shè)計(jì)或選擇一個(gè)合適的電感，我們需要考慮以下4個(gè)關(guān)鍵的電流值，他們都可以通過(guò)仿真得到。
● IPHASE,RMS，解決散熱問(wèn)題(圖17)
● IPHASE,PEAK，計(jì)算磁芯的磁飽和度(圖18)
● IRIPPLE,PEAK-PEAK，估算磁芯損耗(本次仿真不包括磁芯損耗，但建議另外計(jì)算)
● VPHASE,PEAK，定義繞組的絕緣等級(jí)
圖20顯示了在不同VPHASE-NEUTRAL電感紋波電流的峰-峰值。感值為245 μH時(shí)的紋波電流比130 μH的情況小40%。另一個(gè)細(xì)節(jié)是我們通過(guò)仿真知道了實(shí)際的IRIPPLE,PEAK-PEAK如何在在波形過(guò)零點(diǎn)和頂點(diǎn)達(dá)到最大和最小值的。圖21和圖22體現(xiàn)了這些差異。
我們還可以看到實(shí)際的紋波電流曲線和頻率的形狀在同一個(gè)點(diǎn)是有差別的。這樣的情況在SVM里比較常見(jiàn)且并不會(huì)造成問(wèn)題。(我們不會(huì)在本文對(duì)這一內(nèi)容進(jìn)行深入討論，但它與CCM和DCM中的變換過(guò)程有關(guān)。)
電感設(shè)計(jì)需要考慮紋波電流的最大峰-峰值。設(shè)計(jì)電感的另一個(gè)重要因素是電感的耐壓值。圖23和圖24體現(xiàn)了這些數(shù)值。
圖20. 電感紋波電流和和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
圖21. 峰值電流正弦波形時(shí)的電感電流細(xì)節(jié)。條件：B相，VIN=230 V，POUT=26.5 kW，LPFC=245 μH。波形參數(shù)：IPHASE,RMS=38.9 A，IPHASE,PEAK-PEAK=4.1 A。X軸：10 μs/div。
圖22. 電流正弦波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)的電感電流細(xì)節(jié)。條件：B相，VIN=230 V，POUT=26.5 kW，LPFC=245 μH。波形參數(shù)：IPHASE,RMS=38.9 A，IPHASE,PEAK-PEAK=5.58 A。X軸：10 μs/div。
圖23. 峰值電感電壓和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系。
圖24. PFC電感電壓包絡(luò)仿真。典型采用SVPWM的系統(tǒng)波形。
母線和DC輸出之間的電壓
在三相PFC系統(tǒng)和逆變器中，相線、零線線(N)地線(PE)與轉(zhuǎn)換器的直流負(fù)輸出(-VDC)之間可能出現(xiàn)電壓差，因?yàn)橄到y(tǒng)的前后部分沒(méi)有進(jìn)行電氣隔離(在PFC部分)。所以在仿真和開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須要考慮這個(gè)可能性。
圖25是輸入和直流負(fù)輸出(-VDC)的電壓包絡(luò)，以及零線或地線與直流負(fù)輸出的壓差。圖26和圖27表現(xiàn)了電壓從-300 V提高至+1100 V的過(guò)程。我們需要至少在設(shè)計(jì)電感和PCB時(shí)考慮到這些電壓等級(jí)。如此高的電壓可能會(huì)造成PCB上器件和電感的隔離問(wèn)題。除此之外，零線/地線與直流負(fù)輸出之間的高壓和dV/dt會(huì)帶來(lái)不同性質(zhì)的噪聲，尤其是連入PFC輸出的系統(tǒng)會(huì)特別容易受到共模噪聲的影響。
之后的硬件測(cè)試和評(píng)估階段，零線/地線和負(fù)輸出電壓之間的高電壓可能需要額外小心和額外的安全措施。仿真在揭示必須解決的問(wèn)題方面再次發(fā)揮了重要作用，幫助我們實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，也有利于今后的開(kāi)發(fā)過(guò)程。
有趣的是，零線/地線到直流輸出GND電壓的包絡(luò)被三倍的電網(wǎng)頻率影響，調(diào)制深度與PFC電感的飽和度有關(guān)(圖25)。這些現(xiàn)象受到PWM調(diào)制策略的影響，在我們的案例中，對(duì)應(yīng)于在SVPWM系統(tǒng)中看到的包絡(luò)。
圖25. 相電壓和零線/地線到DC輸出地線的電壓包絡(luò)
(a) (b)
圖26. A相到直流負(fù)輸出(-VDC)的最大電壓差(a)和最小電壓差(b)和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
(a) (b)
圖27. 地線到直流負(fù)輸出(-VDC)的最大電壓差(a)和最小電壓差(b)和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
PFC輸出電感
在功率因數(shù)校正之后，PFC系統(tǒng)的主要工作就是提高直流母線電壓(boost dc-link voltage)并保持在參考值。直流母線電容作為boost電容，還需要有效地處理負(fù)載連接到輸出端時(shí)產(chǎn)生的電流紋波。仿真能夠幫助我們了解一旦實(shí)際硬件系統(tǒng)建立完成后這兩個(gè)變量(直流母線電壓以及紋波電流)將會(huì)如何變化。
圖28告訴我們電容的輸出電流不會(huì)隨著電感或電容值的變化而急劇變化。另外，±10%的輸入相電壓VPHASE變化會(huì)帶來(lái)約±15%的紋波電流變化(圖29)。
輸出的交流電壓分量(VPEAK-PEAK)與輸入相電壓VPHASE無(wú)關(guān)，但會(huì)被DC輸出電容和寄生等效電阻(ESR)所影響。圖30展現(xiàn)了4倍VPEAK-PEAK下的最差情況，4個(gè)470 μF電容并聯(lián)。
圖28. 輸出電容電流ICAPACITOR,RMS和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
圖29. 典型的輸出電感波形。條件：VIN=230 V，POUT=26.5 kW
結(jié)果：ICAPACITOR,PEAK-PEAK=58 A,ICAPACITOR,PEAK=25 A,ICAPACITOR,RMS=24.78 A。X軸：10 μs/div。
圖30. 輸出電容紋波電壓輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換：開(kāi)與關(guān)
驗(yàn)證PFC部分的開(kāi)關(guān)性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是開(kāi)關(guān)速度(圖31)，或者M(jìn)OSFET的dV/dt。理論上來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)速度越快，損耗越低，效率越高。然而，仍然有其它因素限制開(kāi)關(guān)速度。比如，開(kāi)關(guān)管本身承受這種高梯度變換或EMI或其他快速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的共模(CM)噪聲的能力。
圖31. PFC MOSFET的開(kāi)啟波形
圖32顯示在本模擬中給出的配置下，dV/dt值超過(guò)了66 V/ns，唯獨(dú)寬禁帶技術(shù)才能對(duì)應(yīng)這樣的高速開(kāi)關(guān)。實(shí)際上，如此高的dV/dt仍然會(huì)有高風(fēng)險(xiǎn)(即使是SiC模塊)，寄生電感產(chǎn)生的超高過(guò)壓尖峰可以輕易的超過(guò)器件的耐壓上限。
圖32. 低邊A相SiC MOSFET開(kāi)關(guān)速度和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
調(diào)整柵極電阻是最簡(jiǎn)單的方法來(lái)減少dV/dt。更大的柵極電阻值能減少開(kāi)關(guān)速度，同時(shí)減少整體設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，但也會(huì)帶來(lái)缺點(diǎn)，即少許的功率損失(因?yàn)殚_(kāi)關(guān)速度沒(méi)有那么快)?；谶@項(xiàng)仿真的結(jié)論，我們決定做一個(gè)折中方案，換一顆阻值大一點(diǎn)的柵極電阻(1.8 Ω—>4.7 Ω)以確保MOS管導(dǎo)通時(shí)的dV/dt在25 V/ns左右。這將作為驗(yàn)證實(shí)際硬件板時(shí)的初始值。
另一個(gè)影響開(kāi)關(guān)效率的因素是開(kāi)啟電流。圖33展示了仿真時(shí)得到的開(kāi)啟電流。不過(guò)，該系統(tǒng)的效率已經(jīng)在以前得到驗(yàn)證，目前還沒(méi)有預(yù)見(jiàn)對(duì)開(kāi)啟方式進(jìn)行重大修改。
圖33. 低邊低邊A相SiC MOSFET最大開(kāi)啟電流和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
至于關(guān)斷轉(zhuǎn)換，我們也采取了類(lèi)似的方法。圖34、35和36顯示了這些模擬的結(jié)果。使用100 kΩ吸收電阻時(shí)，關(guān)斷過(guò)程也很快速(高達(dá)40 V/ns)。在測(cè)試板中，我們也會(huì)提高電阻以將關(guān)斷dV/dt等級(jí)保持到25 V/ns左右。
圖34. PFC MOSFET的關(guān)斷波形
圖35. 低邊低邊A相SiC MOSFET最大開(kāi)啟電流和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
圖36. 低邊A相SiC MOSFET開(kāi)關(guān)速度和輸入電壓值、感值和輸出容值的關(guān)系
仿真結(jié)果和結(jié)論
其中一個(gè)仿真的最終目的是減少硬件的迭代次數(shù)并加速新產(chǎn)品量產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)這篇文章，我們可以清晰地認(rèn)識(shí)到在仿真和設(shè)計(jì)模型之前設(shè)定一個(gè)目標(biāo)的重要性。仿真的結(jié)果將有助于回答我們的開(kāi)放性問(wèn)題，驗(yàn)證我們的假設(shè)，或者為系統(tǒng)的運(yùn)行或優(yōu)化揭開(kāi)必要的修改。表3總結(jié)了上述模擬的結(jié)果。
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