车载充电机OBC硬件拆解分析（二）

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OBC硬件电路整体架构

OBC硬件电路结构设计主要考虑的因素包括：功率因素校正路(PFC)、初级侧DC-DC、次级侧整流、电压、电流和温度诊断、网络(CAN)通信、交流电源、12 V电池和高压电池之间的隔离。

主回路电路通常可分为两级，前级为功率因数校正PFC模块，后级为DCDC转换器。前级为功率因数校正PFC模块，对变换器的输入电流进行功率因数校正使之跟踪输入电压并且产生稳定的母线电压，提高输入的功率因数并抑制高次谐波；后级为DCDC转换器，即LLC模块，进行安全的隔离以及提供电压或电流的宽范围输出，满足电池充电对电流电压的要求，并实现电气隔离。



主控模块主要功能是监测输入输出电流电压、控制器温度、故障处理、驱动功率器件，以及与整车外界控制器进行通讯交互等功能。
工作原理解释：车载充电机OBC由市电交流 220V 输入，采用共模电感、X 电容和 Y 电容搭建 EMI 滤波电路，再经由AC/DC 工频整流为直流电压，采用Boost 拓扑结构搭建有源功率因数校正电路，让交网输入电流和输入电压同相，并将整流过后的电压升高到 390V，输入给 LLC 谐振变换器电路拓扑结构，依据电动汽车的电压平台范围匹配合适的谐振电容和电感，整流滤波后输出直流电压，给电动汽车的蓄电池进行充电。





一、PFC模块的类型

PFC电路在实际应用过程中，通常会分为有源PFC和无源两种，主要区别是电路设计的过程中是否使用晶体管等有源电子元器件，换句话说，无源PFC电路是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成，有源电路增加了晶体管、MOS管等有源功率器件。随着技术的不断发展，无源PFC逐渐被有源PFC所替代。有源PFC功率校正电路按照电源拓扑结构分为有整流桥式 PFC 和无整流桥式 PFC。

常见的PFC电路结构主要有BOOST型升压电路、交错并联型PFC、全桥PFC、Buck、反激式、Cuk式、Zeta式等等。其中，当前最主流的电路结构是BOOST型升压电路。BOOST型升压电路用于前级功率因数校正模块，具有控制结构简单和工作性能稳定的特点，形成了常见的PFC电路结构主要有全桥PFC（效率95%-97%）（最大达到功率3.3kw）、交错并联型BOOST PFC（效率97%-98%）（最大达到功率6.6/7.2kw）、无桥BOOST PFC（最大达到功率6.6/7.2kw）、双无桥BOOST PFC、图腾柱 BOOST PFC（效率98%-99.5%）（最大达到功率6.6/7.2kw）。现在车载充电机OBC领域主要采用的是半桥BOOST PFC、交错并联型BOOST PFC。


全桥PFC

全桥PFC在每个工作状态下，开关管器件处于开通状态的数量均为三个，仅存在一个开关管器件，其工作电压、工作电流应力非常大，故该电路无法应用于大功率场合。因此，为了减小导通时的开关器件的数量及效率低的问题，无桥Boost PFC电路拓扑开始普及。



半桥PFC将有桥PFC的整流桥移除，减少了开关器件的数量。与传统的有桥PFC相比，导通路径上的开关器件减少了，这有利于提升系统的效率。该拓扑结构控制简单，但是电流采样困难。且输出的直流电压的端点是浮地的，产生的共模干扰会被隔离，所以电路中会有很严重的EMI问题。



交错并联PFC由两个相同的Boost PFC变换器并联而成，相互互补工作。有效降低功率器件的电流应力，减小电流纹波和磁性元件的体积。通过控制两个功率电感电流交错180°反相，可降低输入输出的电流纹波，减少EMI滤波器的体积。

二、DCDC类型

DC/DC 功率变换器传统使用的是硬开关，导致开关管在开通或者关闭的时候电流和电压不为零，根据功率等于电流乘以电压，会引起诸如开关损耗大，OBC输出的效率低。随着功率器件的发展，软开关技术开始出现，解决了硬开关存在的问题，软开关技术有很多种，但是目前电力电子行业普遍采用谐振电路实现零电压导通和零电流关断，提高输出效率。谐振变换器包括串联谐振变换器（电容与电感串联）、并联谐振变换器（电容与电感并联）、串并联谐振变换器（电容与电感串并联）。串联谐振变换器缺点是输出纹波较大。并联谐振变换器缺点是处于轻载状态下，效率低。串并联谐振变换器（LLC 谐振变换器）解决了前两者的缺点，其输入电压范围宽，输出效率高。开始广泛应用，LLC是一种通过控制开关频率来实现输出电压恒定的谐振电路。

DC/DC变换器的电路拓扑类型主要有Buck、Boost、Buck-Boost、移相全桥、谐振变换器等，OBC属于高压部件，隔离型DC/DC变换器在功率等级、电气安全等更适合。常见的电路拓扑结构主要有移相全桥、双有源桥电路、LLC谐振电路等。

LLC移相全桥移相全桥软开关变换器移相控制的关键在于利用电容与电感的谐振实现软开关，能有效降低电路中的开关损耗和噪声，适用于大功率输出场所，但变压器次级存在占空比丢失的情况，而且在零电压导通时，负载的应用范围小。原边串联的隔直电容可以更好地达到消除直流偏磁的效果，从而避免变压器磁芯饱和。



双有源桥电路(DAB)：DAB 拓扑具有软开关换向、器件数量减少和效率高等优势。通过原副边移相来控制能量的流动方向和大小，可以实现零电压开通，经常应用于大功率场合的双向DC/DC变换器，该拓扑电路功率密度高、效率高、能双向传输功率，被广泛应用于电动汽车领域。



LLC谐振电路：可以实现软开关，且可以在较窄的频率范围内实现较大的调压范围。具有良好的切载特性，加上变压器的漏感可以复用为励磁电感，所以磁元件的空间小，可以提高变换器的功率密度，效率高及EMI小。



三、主控模块



1、采集输入输出的电压、电流值，实现输出电压、电流监测与调节、故障诊断。2、控制驱动芯片输出PWM控制功率器件，实现AC/DC、LLC变换。3、采集温度、电压、电流值，进行自我保护功能。4、基于CAN驱动芯片的休眠唤醒功能。5、传感器供电、主芯片、驱动芯片通过反激及电源芯片实现。四、实例分析
  当了解所有PFC、LLC、主控的功能模块后，所有的OBC的电路结构都可以根据之前的电路拓扑进行理解，万变不离其宗，接下来，分析几个OBC的电路拓扑图。



通过了解PFC及DCDC在OBC领域的应用情况及电路拓扑，通过分析电路中主要关键元器件，发现PFC采用的是交错并联型，DCDC采用的是LLC移相全桥型，并通过主控模块的功能去找到对应的传感器以及主控芯片、电源模块、PWM驱动模块等，全面了解该OBC的整个电路拓扑。





LLC移相全桥

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针对车载充电机OBC硬件拆解分析，OBC硬件电路的整体架构包括了功率因数校正回路、主回路电路等部分。其中，主回路电路可分为前后两级，前级负责功率因数校正，后级则是DCDC转换器。此架构在提高输入功率因数的同时，保证了电流的稳定输出，并满足电池充电的需求。同时，架构中的隔离设计确保了电气安全。在实际应用中，还需要考虑电路效率、散热等问题，以保证车载充电机的稳定性和安全性。