基于GD32F303的高頻DC/DC變換器解決方案

車載充電器（OBC）是電動汽車和混合動力汽車的重要組成部分(HEV)。OBC通常由一個AC/DC(功率因數(shù)校正電路)和一個隔離式DC/DC轉換器，如下圖所示：

典型兩級式OBC架構

隨著電池容量的增加，OBC需要設計更高的功率。與OBC的功率容量越來越大相反的是，由于車內空間和冷卻能力有限，因此功率密度和效率等規(guī)格也越來越高。高效率和高功率密度成為OBC的兩個關鍵要求。寬帶隙(WBG)功率器件的技術發(fā)展和應用，例如碳化硅(SiC)器件和氮化鎵(GaN)器件，因其更高的開關速度、更低的開關損耗以及更低的導通電阻溫度依賴性，在很多場合已經成為傳統(tǒng)硅(Si)器件的優(yōu)越替代品。

系統(tǒng)簡介

CLLC(電容-電感-變壓器-電感-電容)電路拓撲，具有對稱諧振腔和軟開關特性以及更高頻率工作的能力，是實現(xiàn)OBC高效、高功率密度的良好選擇。CLLC拓撲的設計、控制和實施架構，如下圖所示：

CLLC隔離DC/DC拓撲架構

采用GD32F303RCT6微控制器：得益于HRPWM定時與ADC采樣的高精度，使得CLLC將設計頻率提高到500kHz在數(shù)字控制的可實現(xiàn)性上，變成了可能，從而為整機系統(tǒng)的高功率密度和高效率綜合優(yōu)化提供了控制保障

GD32F303精準的PWM邊沿控制：采用無傳感器的同步整流控制技術，可進一步減少整機的硬件成本。

獨有專利支撐的平面磁集成優(yōu)化方案：有效提升了整機系統(tǒng)效率，同時磁性元件采用PCB繞組減少了人工繞制變壓器的人力成本。

系統(tǒng)關鍵參數(shù)規(guī)格列下表所示：

但是與傳統(tǒng)的移相全橋、不對稱LLC拓撲相比，CLLC諧振變換器存在兩個諧振電感與一個變壓器，占據整個車載充電器體積的25%以上，這嚴重影響了變換器功率密度，因此減小磁性元件的體積成為提高車載充電器功率密度的一種重要方法，前述提高開關頻率可以有效減小磁性元件的體積，但由于磁芯材料和功率器件限制，通過無限制的抬升開關頻率來減小磁性元件體積的做法并不可取。

另一個提高功率密度的方法是使用磁集成技術，將同一個變換器中的多個磁性元件以電磁場基本理論為約束集成在一付磁芯上，如在CLLC拓撲上，將原邊電感、變壓器、副邊電感集成至一個磁芯中，同時結合寬禁帶器件的使用，可以將整體設計體積壓縮至一個非?？捎^的體積內。

繞線式與平面集成變壓器示意圖

而在效率的提升方面，除了使用性能更好的寬禁帶器件外，磁性元件的損耗優(yōu)化也是一個突破方向，使用PCB銅箔作為繞組配合平面變壓器的使用，相對傳統(tǒng)利茲線繞制的變壓器在損耗、散熱性能上均存在較大優(yōu)勢，且自定義設計的磁芯在各種體積要求的工況均能滿足設計要求。

3.3kW雙向CLLC實驗樣機

無傳感器同步整流策略

原副邊調制策略分別為：原邊驅動信號頻率來自閉環(huán)控制的計算結果，控制調頻實現(xiàn)對輸出電壓的控制；同步整流控制策略為：副邊同步整流信號的上升沿與原邊信號一致，下降沿由控制器實時計算出的副邊管導通時間控制。

雙向CLLC正向傳輸功率同步整流策略

使用此方法同步整流，僅需借助控制器本身對PWM上升沿和下降沿的位置精準控制，能省去傳統(tǒng)基于電壓或電流檢測方案進行的同步整流的檢測芯片。

軟件系統(tǒng)框架

系統(tǒng)軟硬件配合框圖

2個HRPWM高分辨率PWM中斷，最大定時頻率600kHz。要求具有精準的對上升沿和下降沿的控制。

8路12位ADC采樣，分別用于采樣輸入電壓、輸入電流、原邊諧振電流、輸出電壓、輸出電流、副邊諧振電流，原邊諧振電容電壓、副邊諧振電容電壓。

2個普通定時器TIMER，用于控制邏輯定時。

CAN總線通信用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

來源：GD32MCU