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找方案 | 基于STDES-2KW5CH48V-適用于工業(yè)輕型電動汽車的2.5 kW - 48 V電池充電器參考設計

大大通 ? 2023-02-06 14:51 ? 次閱讀

介紹

STDES-2KW5CH48V 參考設計主要為工業(yè)輕型電動汽車 (LEV) 提供充電解決方案,例如電動自行車、電動人力車、叉車、微型電動車。也適用于工業(yè)物流機器人

充電器實施兩種充電配置文件:一種用于鋰離子電池,另一種用于鉛酸電池,它們適用于電池充電的最新趨勢。

充電器設計基于升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 電路,由提供高 PF 的 L4984D 控制大于 0.9,然后是基于全橋 LLC 諧振功率轉(zhuǎn)換器DC-DC 電路,由 L6599A 控制。對于輸出整流,已選擇二極管與使用中心抽頭的 LLC 變壓器次級繞組配置。該設計采用 STM32F072CB 微控制器來控制功率級和電池充電曲線,并管理保護和用戶界面。PFC 級使用 MDmesh M5 功率 MOSFET 和 SiC 二極管。MDmesh DM6 功率 MOSFET 用于 LLC階段。初級和次級部分均由基于 VIPER16 的離線反激式電路供電。該電路提供調(diào)節(jié)電壓到微控制器、柵極驅(qū)動器 IC 和信號調(diào)理電路。正式的測試和測量結果證實了 ST 電源產(chǎn)品的性能結合綜合能力數(shù)字控制,以在寬輸入電壓和負載條件下提供高效率、接近統(tǒng)一的功率因數(shù)和低 THD。STDES-2KW5CH48V 是完全組裝的參考設計,僅用于性能評估,不適用于銷售。

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Table 1. STDES-2KW5CH48V characteristics

概述

該系統(tǒng)圍繞 CCM PFC 升壓前端構建,該前端運行兩個并聯(lián)的 M5 MOSFET 和一個 x SiC整流器。輸入市電交流電轉(zhuǎn)換為 415 V 直流母線,為內(nèi)置的下游 LLC 轉(zhuǎn)換器供電中心抽頭,全波拓撲。請參閱下面的框圖以更好地了解系統(tǒng)功能和手術。

已采用整體方法使該裝置緊湊、高效且易于構建。LLC的輸出轉(zhuǎn)換器采用全橋整流。工作頻率范圍從 40 VDC 輸出時的 140 kHz 到 85 kHz在 60 VDC 輸出。有兩個用于 CV 和 CC 的誤差放大器,用于回退并在獨立模式下運行。這意味著,雖然系統(tǒng)能夠在MCU監(jiān)控下運行,可以預設非監(jiān)控運行點。例如,即使系統(tǒng)可以使用合適的命令集從 40-60 V 提供,如果沒有命令可用,它可以在出廠預設設置(40 V 和 5 A)下默認工作。這對測試很有用,調(diào)試,并將其用作通用電源。一個 2 型和一個 3 型補償器,圍繞運算放大器,用于 CC 和 CV 環(huán)路補償。這是內(nèi)部模擬環(huán)路。

MCU 設置整體電流和電壓,以調(diào)制具有兩個三級誤差放大器的參考脈寬調(diào)制信號。這些 PWM 信號經(jīng)過低通濾波和平均以創(chuàng)建動態(tài)參考值由系統(tǒng)控制器決定的設定點。

STDES-2KW5CH48V 功率級通過專用模擬控制器和一個微控制器,它根據(jù)您的要求管理應用程序。

STDES-2KW5CH48V 可在 85-265 VAC 的輸入電源電壓范圍內(nèi)工作,并且可以提供輸出當輸入電壓高于 180 VAC 時,功率高達 2.5 kW。低于此閾值時,輸出功率能力降額至 1.25 kW。

參考設計根據(jù)歐盟調(diào)整輸出功率傳輸參數(shù)或美國輸入電壓,通過隔離放大器檢測。PFC 和全橋 LLC 功率級參考初級接地,而 LLC 控制器和微控制器被稱為二次地。輔助電源為微控制器供電,柵極驅(qū)動器 IC 和信號調(diào)理電路。有關充電器狀態(tài)和設置的用戶信息,PCB 上有 LED。如果出錯發(fā)生或觸發(fā)保護時,板載 D5 LED 閃爍。D5 LED 閃爍計數(shù)因不同的錯誤/保護。要對微控制器重新編程,請在 J4 連接器上施加 +12 V DC。使用 IAR 嵌入式Workbench for Arm(ver.9.10 或更高版本)或任何其他適合編程和調(diào)試的編程工具。


STDES-2KW5CH48V key components

STDES-2KW5CH48V電源由以下關鍵部件組成:

1、交流輸入市電交流電源端子;

2. 安裝在散熱器上的橋式整流器

3. 安裝在散熱器上的 PFC MOSFET 和 SiC 二極管;

4. PFC 輸出大電容;

5.輔助電源;

6. 用戶界面——開關;

7. 安裝在專用子板上的 LLC MOSFET 和安裝在散熱器上的子卡;

8. LLC諧振電感;

9. LLC諧振電容

10. LLC變壓器;

11.安裝在散熱器上的輸出整流二極管

12、直流輸出端;

13. PFC擺動扼流圈;

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Firmware lowcahrt

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STDES-2KW5CH48V硬件修改

如果需要更高的電池電壓,則幾乎不需要修改硬件。整個初級側(cè)(PFC階段,DC-DC全橋LLC)保持不變。相反,在次級側(cè),輸出電壓檢測電阻需要修改。最常見的 LEV 電池針對 48、72 或 144 V 系統(tǒng)。

72 V 標稱電壓系統(tǒng)預計可在 65 V 的下限至 88 V 的上限范圍內(nèi)工作。電流限制為 32 A 或 2500 W 功率輸出。恒定功率超過 75 V 且恒定電流低于 75 V,最大 32 A。整流器級(中心抽頭次級)保持不變。到期的對于更高的輸出電壓,建議使用 250-300 V 肖特基或超快速二極管。變壓器匝數(shù)比應為 61。相應地,應該使用更薄的Litz。線股直徑必須不超過 0.1 毫米。原來的變壓器是8.671的比例。不應修改主要對象。與非常仔細的布局和變壓器設計,我們建議從 250-300 V 器件二極管開始,并檢查在所有條件下過沖。

然后,將其替換為 200 V 肖特基,因為它已被使用并驗證表現(xiàn)。因此,可以重復使用同一個二極管。也改變輸出濾波電容:相同值必須使用,但額定電壓必須至少為 100 V。ESR 也非常重要,因為使用的是損失最低的特殊類型。Rubycon ZLH 系列就是一個合適的例子。

同樣,反向保護 MOSFET 可以重復使用,因為只有直流開關。然而,你應遵循正確的啟動順序程序。分流器可以是相同的,只改變固件設置最大電流。不需要改變電流放大器增益。輸出電壓可以相應地修改檢測電阻。R114、123 和 134 需要適當縮放以從 64 V 開始。


144 V 標稱電壓系統(tǒng)預計可在 135 V 的下限至 175 V 的上限范圍內(nèi)工作V. 電流限制為 20 A 或 2500 W 功率輸出。恒功率超過160V且恒定電流低于 160 V 最大 16 A。整流器級(中心抽頭次級)保持不變。由于輸出電壓較高,建議使用 400 V 超快二極管。變壓器匝數(shù)比應為 31。相應地,應該使用更薄的Litz。線股直徑必須不超過 0.1 毫米。原裝變壓器為8.671變比,初級不宜改動。還必須對輸出濾波電容進行更改:必須使用一半的值,但電壓額定值必須至少為 200 V。

ESR 也非常重要,因為使用的是特殊類型的最低的損失。Rubycon ZLH 系列就是一個合適的例子。同樣,反向保護 MOSFET額定電壓至少為 200 V。但是,您應該遵循正確的啟動順序程序。這分流器可以相同,僅更改固件以設置最大電流。目前沒有變化需要放大器增益。可以相應地修改輸出電壓檢測電阻。R114,123, 和134 需要適當縮放以從 134 V 開始。

?展示板照片

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?方案方塊圖

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?核心技術優(yōu)勢

L4984D:連續(xù)電流模式功率因素控制器

L6599AD:雙管半橋諧振控制器

STM32F072CBT6:主流Arm Cotex-M0 USB單片機與128 KB 的閃存,48兆赫中央處理器,USB,CAN 和 CEC功能

STW57N65M5:N通道650V, 56mOhm(typ), 42A MDmesh M5 TO-247包裝

STO67N60DM6:N通道600V, 48mOhm(typ), 58A MDmesh DM6 TO-LL包裝

STPSC20H065CW 650V, 20A ,雙組較高浪涌電壓碳化硅二極管

VIPER16HN:VIPerPlus 系列:節(jié)能6W高壓轉(zhuǎn)換器與直接反饋

?方案規(guī)格

輸入交流電壓:85 至 265 V AC

1.75 kW 負載時的峰值效率:>93.5%

滿載時的峰值效率:>93%

PFC 輸出電壓:415V ± 2%

PFC 工作模式:CCM

PFC 控制器:L4984D

輸入電壓范圍內(nèi)的功率因數(shù) 85 – 265 V AC:>0.97 for load > 20%

輸入電壓范圍內(nèi)的 THD 85 – 265 V AC:<10> 20%

最大輸出功率:2.5 kW(歐洲電壓范圍)、1.25 kW(美國電壓范圍)

DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓撲:全橋 LLC

LLC 電源轉(zhuǎn)換器頻率范圍:90 – 160 kHz

啟動:軟啟動

整流拓撲:中心抽頭

冷卻:強制空氣

保護:低輸入電壓和高輸入電壓,低輸出電壓和高輸出電壓,輸出過流和短路保護

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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