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Technical Article

EV 車載充電器 CLLLC vs. DAB

Brent McDonald
為了將電動車 (EV) 的電源最佳化，車載充電器 (OBC) 必須效率高、輕量且體積小。較輕的 EV 需要用來驅動車輛的動力也更少，進而提升整體效率。
OBC 需要支援適當的電網到車輛 (G2V) 電壓和電流電池充電演算法，因此它作為電網和 EV (图 1) 之間的功率調
節介面。此外，它必須能夠從車輛到電網 (V2G) 供電，以便 EV 補充可能發生峰值容量波動的再生能源。

图 1. OBC 需要支援適當的 G2V 電壓，並從 V2G 供電。
促進電動車電網與高電壓電池間的介面需要電磁干擾 (EMI) 濾波器、功率因數校正 (PFC) 與隔離式 DC/DC 功率級。图 2 說明此架構。

图 2. 這套簡化電路圖顯示 OBC 如何作為電網與電池間的介面。
討論的範圍限於 DC/DC 級。截至本文撰寫時間點，DC/DC 級的兩種常見選擇為電容器電感器電感器電感器電容器 (CLLLC) 和雙主動橋式 (DAB) 拓撲結構 (圖 3 與 4)。兩種選項都可達到小型解決方案尺寸，並提供必要的 G2V
和 V2G 電源需求。

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图 3. 本電路圖為 CLLLC 的基本拓撲結構。

图 4. 在此電路圖中可見 DAB 拓撲結構。
OBC 性能最大化與尺寸縮減
為了解這兩種拓撲結構如何影響 OBC 的尺寸與性能，接下來我們將範圍限制在運作的電池充電階段，或 G2V，同時考慮如何提供開關可耐受的最大電池功率來減少充電時間。例如，考慮使用以下運作條件的開關：• PDISS = 20W• ϑJA = 3°C/W• TA = 65°C
開關將為 TJ = 125°C，結果得自等式 1：TJ=PDISS⋅ϑJA+TA(1)

此設計中的開關無法耐受超過 125°C 的溫度，這種條件代表 OBC 可在不犧牲開關的情況下為電池提供的最高功率位準。目標是將開關的功耗降到最低，並盡快為電池充電。
開關大部分的功率損耗主要來自兩個因素：均方根 (RMS) 電流，以及開關維持零電壓開關 (ZVS) 的能力。
因其電容低和快開關快速的特性，德州儀器的 GaN 開關能讓轉換器以比矽晶更高的切換頻率運作。高頻率運作會
直接影響無功元件的尺寸，造就較小的變壓器、電感器和電容器。我們先建立 DAB 和 CLLLC 的基準設計，接著探索電路增強以擴大轉換器的 ZVS 範圍。
基準 DAB 和 CLLLC 性能比較
表 1 概述 OBC 的基本要求。

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表 1. OBC 功率要求。

為 DAB 和 CLLLC 建立詳細的設計有助於確定最可行的電路設計。這項作業的步驟超出本次討論範圍，不過電路模擬最能夠還原開關的損耗並驗證整體功能的符合狀況。我將模擬器設定為在不同功率位準和輸入與輸出電壓上
以批次模式執行，並測試了不同的 DAB 和 CLLLC 電感器、電容器和匝比值。在每次模擬執行中，我收集了參數
相關資料，例如 VIN、VOUT、開關功率、RMS 電流及開關 ZVS 狀況。表 2 總結兩種最佳拓撲結構設計。
表 2. DAB 和 CLLLC 最佳化設計。

图 5 說明顯著模擬結果。儘管每個拓撲結構中有八個開關，但圖表僅繪製功率損失最高的開關。每個開關有三張圖。第一張是開關總損失。第二張則是通過開關的 RMS 電流。最右邊的第三張圖顯示特定 GaN 開關在開啟時會遇到的最糟汲極至源極電壓情況。這是 ZVS 損失量的品質因素；此電壓越高，開關的損失就越大。因此，開關的RMS 電流以及其維持 ZVS 的能力代表了裝置中功率損失的主要部分。

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图 5. 模擬結果顯示 CLLLC 和 DAB 的 RMS 和 ZVS 基準條件。
有了這些事實加上仔細查證過資料，CLLLC 顯然能夠在更大的運作範圍內維持 ZVS，因此強化 ZVS 負責降低
CLLLC 開關中的功率損失。話雖如此，在以 6.6kW 運作的情況下，DAB 具有優異性能，源自良好的 ZVS 和在大多數範圍內的低 RMS 電流。綜合這些觀察結果，建議尋求在不影響 RMS 電流的情況下改善 ZVS 的方法。
利用整流電感器改善 ZVS图 6 與 图 7 顯示圖 3 和圖 4 相同的 CLLLC 和 DAB 電路，拓撲加入了額外的電感器 (以黃色標示)，在更大的運作範圍中可提供維持 ZVS 所需的額外電流。現在請設想這些額外電感器隨時都能運作的情況。

图 6. 本電路圖顯示具有整流電感器的 CLLLC。

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图 7. 此電路圖顯示具有整流電感器的 DAB。
表 3 列出新電感器的值，並為方便起見重複其他電路參數。
表 3. 具有整流電感器 (LC) 值的 DAB 和 CLLLC 設計

图 8 顯示重複 图 5 中的模擬後的結果。

图 8. 各電路的 RMS 和 ZVS 結果顯示 LC 的影響。
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在此情況下，請注意 DAB 能夠在整個運作條件範圍內達到完整 ZVS。GaN 開關的 VDS 在開啟時始終為 0V 的現
象就能清楚說明這點。CLLLC 雖然無法達到完整 ZVS ，但仍可大幅改善 ZVS。但也請留意，ZVS 改善會大大犧
牲兩種拓撲結構中的 RMS 電流。單從功率損失來看，DAB 轉換器具備了大多數範圍的優勢。
讓我們先別拉太遠，回過頭來比較 图 8 和 图 5，您會注意到在某些條件下整流電感器會讓損失更嚴重。這就帶出一個問題：是否可以制定出一種混合方法，透過這種方法達到 图 5 和 图 8 所示的最低損失？
最小化總損失：魚與熊掌不可兼得增加整流電感器會讓轉換器維持 ZVS，進而打造出更廣泛的運作條件。當轉換器無法維持 ZVS 時，這種做法大有幫助。整流電感器的問題在於只有當即將損失 ZVS 時才會改善損耗。若轉換器已在 ZVS 中，整流電感器會增加電流而影響運作，導致開關損失更多歐姆。
這種思考過程誕生出混合方法測試，測試中整流電感器會在較重負載下關閉，並於較輕負載下開啟。图 9 說明利
用此方法重複模擬後的結果，這樣能讓設計善用每個拓撲結構的低 RMS 電流及高負載下自然的 ZVS 能力。
我很小心只增加足夠的整流電感和運作時間，以放入開關的隔熱外殼，避免不必要的開關 RMS 電流或不必要的解決方案尺寸。請注意，DAB 轉換器在運作範圍內無法達到完整 ZVS。ZVS 狀況已大幅改善，但最多只維持在先前
討論過的 20W 開關目標內。

图 9. 這些都是採用混合方法的 RMS 和 ZVS 結果。
為了更清楚呈現權衡，图 10 總結出每種情況的功率損失。您可以看到 DAB 轉換器在開關的功率損失方面具有明
顯優勢。

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图 10. 每種情況的功率損失總結有助於讓權衡情況一目了然。
為了進一步說明這兩個轉換器之間的性能功能，图 11 重新整理並繪製 图 10 中所示的資料。此圖表顯示為各轉換
器可提供的最大功率，並假設交換器無法安全耗散超過 20W 功率。切記，20W 代表開關可耐受的最大損失，且仍可讓接點溫度維持在 125°C 以下

图 11. 此圖顯示各轉換器可提供的最大功率。

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CLLLC 和 DAB 誰更優秀？
從 图 11 中藍線高於紅線可明顯得知，DAB 轉換器在整個範圍內提供的功率比 CLLLC 多，使人自然認為 DAB 穩贏。但別忘了，最小尺寸與重量是 OBC 的核心要求。DAB 轉換器需要兩個額外的電感器，但 CLLLC 只需要一個。在我看來，勝利該屬於 CLLLC。
如同工程學中大多數的事情一樣，視需求進行權衡往往是最棒的地方。很少會有不勞而獲的時候，這次也不例外。對我來說，CLLLC 輕鬆擠下 DAB，因為它具有明顯的尺寸優勢。
參考1. de Oliveira, E.F., and P. Zacharias, “Comprehensive Mode Analysis and Optimal Design Methodology of a
Bidirectional CLLC Resonant Converter for E-Vehicles Applications,” 21st European Conference on PowerElectronics and Applications (EPE ’19 ECCE Europe), Sept. 3-5, 2019, pp. 1-10.
2. Krismer, F., and J.W. Kolar, “Efficiency-Optimized High-Current Dual Active Bridge Converter for
Automotive Applications,” IEEE Transactions on Industrial Electronics 59, no. 7 (July 2012): pp. 2745-2760.
3. Texas Instruments. n.d., “Gallium nitride (GaN): pushing performance beyond silicon,” Accessed Oct. 19,2020.
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前述內容均發佈於 EDN.com。

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