摘要:
本文提出采用SR5E1 MCU直接功率控制的车载充电系统，包含22kW OBC和3kW DC/DC。该系统针对最高800V高压电池平台，采用第三代功率半导体SiC MOSFET和电磁隔离式栅极驱动器实现车载充电系统的高度集成。通过SR5E1实现高频控制环路的三相PFC、CLLC以及峰值电流控制的移相全桥直流-直流变换器DC/DC。试验结果表明，OBC效率达96.5%，CLLC谐振变换器在宽输出电压范围(450～850V)下保持软开关特性，DC/DC模块负载瞬态响应带宽提升至6.5kHz。
引言
随着新能源汽车技术的发展，纯电动汽车呈现出爆发式的增长。对于纯电动汽车而言，动力电池的充电技术是其发展的关键。充电效率和方便性是充电技术的重要指标。本文主要介绍有别于传统车载充电器、采用微控制器(Microcontroller Unit，MCU)直接功率控制而设计的22kW OBC+3kW DC/DC集成式车载充电系统。
1、传统车载充电系统方案
随着车载充电功率越来越高，传统的功率器件无法满足高压大电流的需求。随着新型功率材料的使用，开关频率的需求提升了5倍以上(碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管SiC MOSFET、氮化镓高电子迁移率晶体管GaN HEMT开关频率可达到200kHz以上，而传统硅基功率器件通常低于50kHz)。与之匹配的是，模拟接口与保护接口的速率也需同步提升5倍以上。微控制器MCU+数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)是当前车载充电控 制系统的主流方案。MCU通过通信管理DSP实现功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)、串联谐振全桥变换器(Capacitor-Inductor-Inductor-Capacitor，CLLC)、直流-直流变换器DC/DC控制。如图1所示，传统方案中至少需要1颗MCU+5颗DSP。
本文采用MCU取代传统MCU+DSP的方案拓扑，既要满足宽禁带半导体(Wide Bandgap Semiconductor，WBS)(SiC/GaN)对控制器的性能要求，还要实现高低压的安全隔离，满足22kW高压充电和3kW低压充电的需求。
2、系统总体结构设计
车载充电系统结构如图2所示，系统分为两级拓扑结构：高压充电OBC和低压充电DC/DC。
OBC前级采用功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)交流-直流变换，实现高功率因数输入并抑制高次谐波，从而最小化总谐波失真。经过隔离与调压模块CLLC后，进行整流滤波，最终输出电能为高压动力电池充电。
DC/DC模块从高压电池取电，采用移相全桥加同步整流的方式，将电压降至低压蓄电池适配的充电水平。
2.1三相六开关PFC拓扑
三相PFC电路采用三相六开关PFC拓扑，其结构如图3所示。
三相PFC电路的主要功能是对交流输入电流进行功率因数校正，使交流输入电流波形完全跟随交流输入电压变化，呈现纯阻性负载特性，进而实现高功率因数。输入电流与电压波形呈纯正弦耦合状态，其脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制下的波形关系如图4所示。
三相六开关PFC拓扑主要包含以下几个部分：
1、EMI抑制电路，主要由C1、C2电容和共模电感等组成。其作用是滤除充电机与电网之间的各类电磁干扰，防止谐波相互影响导致电网污染，同时保护系统电路及其他电子电力设备。
2、过流保护熔断器，用于防止充电时过载而损坏后级电路。
3、整流电路，主要采用意法半导体第三代功率半导体SiC MOSFET(型号：SCT015W120G3-4AG)组成六开关整流桥。MCU(型号：SR5E1)通过隔离驱动模块(型号：STGAP2SIC)对SiC MOSFET进行高频控制。
2.2 CLLC串联谐振全桥拓扑
CLLC串联谐振全桥变换器是PFC后的核心功率变化电路。电容-电感-电感-电容串联谐振全桥为双向谐振全桥拓扑，可以将电池能量逆变为电网交流电输送给电网(V2G)或者随车电器使用(V2L)。CLLC谐振拓扑结构如图5所示。
CLLC拓扑结构适合电动汽车的动力电池充电特性，满足充电系统高效率、大功率的要求，其主要特点如下：
1、全负载范围内的零电压开通(Zero Voltage Switching，ZVS)：在全负载范围内，功率开关管都能实现零电压开通ZVS，极大地降低了开关损耗。
2、提高开关频率以优化器件体积：通过提高开关频率减小无源器件的体积，进而增大功率密度。
3、副边对称设计：副边采用与原边对称的MOSFET，实现软开关，包括零电流开通(Zero Current Switching，ZCS)和零电压开通ZVS，从而降低开关损耗。
4、良好的电压调节性能：通过变压器实现电气隔离和升降压功能，能够实现宽范围的输出电压。
5、宽负载范围内的高效运行：能够在恒流-恒压(Constant Current-Constant Voltage，CC-CV)模式下，在宽负载范围内高效运行。
6、软开关控制：MCU(型号：SR5E1)通过隔离驱动模块(型号：STGAP2SIC)控制SiC MOSFET，进一步保障软开关实现，降低开关损耗。
2.3、DC/DC移相全桥拓扑
移相全桥拓扑将高压电池电压(400～800V)转换为9～16V(典型值为14V)，用于给低压蓄电池充电，满足车载低压电器的供电需求。DC/DC移相全桥采用MCU(型号：SR5E1)实现高主频峰值电流控制，能够满足3kW的充电功率。其主要优点为：宽范围且稳定的电压输入能力；高主频MCU能够实现快速响应和高带宽控制，将系统控制阶数简化为1阶；控制回路补偿简单，降低了CPU的负荷；具备变压器磁通平衡能力，有助于减小直流母线电容的应力与容量需求；模块的负载瞬态响应带宽提升至6.5kHz，提高了系统的动态性能。DC/DC移相全桥拓扑结构如图6所示。
3、系统优势
3.1 SR5E1 MCU的主要资源
1、内核资源。两颗300MHz主频的Cortex-M7 ARM内核。两核可以独立运行，或合并为带锁步的内核，以实现内核功能安全。
2、高精度PWM发波外设。外设高精度定时器(High-Resolution Timer，HRTIM)，最高精度可达102ps。
3、增强的模拟功能。拥有高速逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter，SAR ADC)，最高采样速率可达2.5MSPS， 以及片上模拟比较器(On-Chip Comparator，COMP)和片上数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)。
4、运算加速器。运用坐标旋转数字计算机(Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC)算法的加速器，可加速复杂的数学运算。
5、功能安全。符合ISO 26262标准，最高可达到汽车安全完整性等级D(Automotive Safety Integrity Level D，ASIL-D)。支持硬件安全模块(Hardware Security Module，HSM)、故障收集器、自检控制单元、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)及空中下载技术(Over-The-Air Technology，OTA)升级等。
3.2 SR5E1 MCU在车载充电系统中的技术亮点与优势
1、SR5E1 MCU的高精度定时器HRTIM能够产生高频PWM波，通过隔离式栅极驱动器控制SiC MOSFET，满足高频开关的需求。每个HRTIM模块由1个主定时器和6个从定时器组成。每个从定时器具备两路物理输出通道，既可以独立发波，也可以实现PWM互补输出。硬件死区插入不仅能安全有效地防止桥在切换过程中上下直通，而且相比软件操作的死区更加迅速有效。主定时器虽无实际输出物理通道，但可以产生同步事件，使各从定时器同步启动或关闭。每路定时器可以选择多个事件源来实现周期与占空比调节，并且每个定时器都有自己独立的时钟分频器，以实现不同的定时周期。
2、高速逐次逼近型模数转换器SAR ADC模块通道可以实现最高2.5MSPS的采样速率和12位的采样精度，能够保证采样结果的实时性，并且可以进行事件触发采样，以确保采样结果的有效性。
3、片上模拟比较器和片上数模转换器DAC可减少系统反应时间。通过SAR ADC、片上模拟比较器COMP和DAC，可实现过阈值快速PWM保护关闭与逐周期PWM控制，并可用于对峰值电流的斜率补偿，进一步增强模拟功能。其工作原理如图7所示。
3.3、基于SR5E1 MCU的车载充电系统优势
基于SR5E1 MCU的车载充电系统在硬件集成与控制逻辑上具备显著优势，其整体架构如图8所示。整个系统使用2颗SR5E1 MCU实现高压OBC充电与低压充电DC/DC的控制。其中DC/DC部分采用1颗带独立锁步核的SR5E1，以满足功能安全ASIL-D的需求。OBC部分采用1颗双核MCU，分别处理PFC和CLLC两部分。系统优势如下：
1、三相PFC支持22kW、800V输入，总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)小于3%。逐次控制回路运行在SR5E1的300MHz主频上。
2、低压DC/DC支持3kW、800V输入，具备更快的响应速度和流量平衡能力。采用峰值电流控制，通过SR5E1的HRTIM、模拟比较器COMP和数模转换器DAC实现。
3、用于移相全桥DC/DC的模拟和数字混合控制，提高了系统的灵活性和效率。
4、CLLC支持20kW、800V的宽电压范围，具备总线连接、PWM及频率混合控制功能，通过SR5E1的HRTIM实现。
4、样机验证
4.1、台架测试
根据上述方案，本文制作了峰值功率22kW的OBC和峰值功率3.3kW的DC/DC车载充电系统样机，如图9所示。
4.2、三相PFC OBC测试
测试条件：①三相交流输入，380V，50Hz；②电池电压500～800V；③死区时间，PFC 150ns，CLLC 150ns。
基于上述测试条件，当水冷温度25℃、环境温度25℃时，得到三相PFC OBC的效率特性曲线，如图10所示。
4.3 3kW DC/DC高压转低压全功率运行测试
测试条件：①开关频率100kHz；②自适应死区时间。
基于上述条件，3kW DC/DC的全功率运行特性如图11所示。
5、结论
本文深入研究了基于SR5E1 MCU的车载充电系统整体拓扑和分模块电路拓扑，通过使用SR5E1 MCU和隔离驱动模块(如STGAP2SIC)直接控制功率器件，实现了车载充电系统的高压充电OBC和低压充电DC/DC功能，并利用SR5E1 MCU的高主频和强大的外设功能，满足了第三代功率器件(如SiC MOSFET)的高频开关需求，成功实现了三相六开关PFC+CLLC的OBC和移相全桥的DC/DC设计。通过该方案制作的样机，测得的OBC满载效率为95.8%(电 池电压800V、输出功率16kW)，峰值效率为96.5%(输出功率8kW)；DC/DC的峰值效率为95.87%(输入电压500V)。基于SR5E1 MCU的精确死区控制优化了系统效率，在800V时，相较于未优化方案，系统效率提升了0.46个百分点。
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