利用雙向電源轉換器和 PFC 改善 HEV、BEV 和電網的效率

設計人員在設計油電混合車 (HEV) 和純電車 (BEV) 的電力系統時，不斷面臨壓力，要提高效率和可靠性並同時降低成本。雖然改用 12 V 和 48 V 雙電軌後，底盤接線重量有所減輕而得以協助提高效率，但設計人員需要專門的解決方案來加強管理這兩個電源，以便對彼此提供更優異的支援，同時讓車輛支援雙向車輛對電網 (V2G) 應用。

此需求帶動雙向轉換器和雙向功率因數校正 (PFC) 系統的發展，進而讓設計人員對 12 V/48 V 雙電壓電動車 (EV) 的設計進行整體效能的最佳化，還能連接到電網以產生雙向電力流。

本文界定並探討雙向電源轉換在汽車系統中的優勢，以及相關的標準；然後介紹 Texas Instruments、Analog Devices 和 Infineon Technologies 等廠商的解決方案，並展示這些產品如何用於實作雙向電源轉換器。

什麼是雙向電源轉換？

在採用雙電壓 12 V/48 V 架構的 HEV 中，雙向電源將 12 V 和 48 V 系統連結在一起，以便任一電池皆可由另一個電池充電。此外，還可在過載情況下，讓每個電池額外供電給任一電壓軌 (圖 1)。因此，設計人員可以使用更小的電池，進而提高可靠性和效率並降低成本。

圖 1：雙向電源是雙電壓架構的核心，將 12 V 和 48 V 系統連結在一起，因此每個電池可由另一個電池充電，並在過載情況下提供額外的電力。(圖片來源：Texas Instruments)

設計人員可在 BEV 中使用雙向 PFC 來支援雙向電池充電，以及 V2G 作業。V2G 系統能以以下幾種方式支援更高的效率：

• 可以在高用電需求期間將能量傳回電網
• 可以在必要時降低電池的充電率，以幫助平衡電網負載
• 能讓車輛儲存來自再生能源的能量

HEV 中的雙電壓系統可在車輛內自給自足，並可提高燃油經濟效益，而 V2G 系統中的雙向充電器不僅可改善燃油經濟效益，還可帶來更廣泛的成本效益，而且必須與外部介接。

若要實作 V2G，需要採用通訊技術和演算法來感測電網狀態，還必須能與電動車的充電基礎架構介接 (圖 2)。

圖 2：除了雙向電源轉換，V2G 系統還需要包含多種互連和通訊標準。(圖片來源：Honda)

最後產生的 V2G 基礎架構可帶來經濟效益，包括能夠在尖峰用電需求期間供電給電網 (可能為車主帶來收入)，以及在低用電需求期間為車輛電池充電 (降低車輛充電成本)。

雙向電源轉換的相關標準

LV148/VDA320 規格定義了電氣要求和測試條件，以在雙電壓汽車系統中結合 48 V 匯流排和 12 V 匯流排 (圖 3)。LV148 已獲得德國車廠 Audi、BMW、Daimler、Porsche 和 Volkswagen 採用，並運用在傳統的內燃機引擎車輛以及 HEV 中。在撰寫本文時，有關「道路車輛 — 48 V 電源電壓 — 電氣要求和測試」的 ISO 21780 標準正在擬定中。

圖 3：LV148/VDA320 規格定義了電氣要求和測試條件，以在雙電壓汽車系統中結合 48 V 匯流排和 12 V 匯流排；圖中顯示 48 V 匯流排的規格。(圖片來源：Texas Instruments)

有幾種通訊協定可適用於 V2G 系統，包括：

• ISO/IEC 15118：針對電動車的雙向充電／放電定義 V2G 通訊介面。此協定使用 IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) 寬頻電力線通訊 (PLC) 規格作為最佳協定，以確保可靠的通訊和高數據傳輸率。HPGP 以 2 MHz 至 30 MHz 的頻率運作，能讓系統區分出連接線路上的有效數據，以及其他鄰近來源的雜訊。
• IEC 61850：針對變電所的智慧型電子裝置定義通訊協定，有助於在再生電力資源與充電器等電動車供電設備 (EVSE) 之間管理能量流。

圖 4：IEC 61850 定義了 V2G 系統的電力和數據流，並使用 IEEE P1901.2 HPGP PLC 規格來確保可靠的通訊和高數據傳輸率。(圖片來源：IBIS)

12 V/48 V 系統的雙向多相 DC-DC 轉換器

由於典型 12 V/48 V 雙向 DC-DC 轉換器具有高功率位準，因此通常會使用多相拓撲。多相設計可透過減相來提高整體轉換效率，可隨著電力需求的下降，減少作用相位的數量。此外，多相設計還能讓每個相位的輸出使用較小的濾波器元件；使用較小的電感可改善負載暫態效能。最後，以適當的交錯操作相位，即可降低輸出漣波。

Texas Instruments 的 LM5170-Q1 是高效能的多相雙向電流控制器，可用來管理汽車雙電池系統 48 V 部分和 12 V 部分之間的電流傳輸 (圖 5)。此產品整合必要的類比功能，因此能以最少量的外部元件設計高功率轉換器。要達到多相平行操作，可連接兩個 LM5170-Q1 控制器達到三相或四相操作，或將多個控制器同步化，進行時脈相位偏移，以提供更多相位。

圖 5：LM5170-Q1 多相雙向電流控制器可管理汽車雙電池系統 48 V 和 12 V 部分之間的電流傳輸；紅色箭頭突顯出雙向電流。(圖片來源：Texas Instruments)

LM5170-Q1 含有雙通道差動電流感測放大器和專用的通道電流監測器，可達到 1% 的典型電流準確度。耐用的 5 A 半橋閘極驅動器能驅動並聯 MOSFET 開關，提供每通道 500 W 或更高的功率。同步整流器的二極體模擬模式可防止負電流，亦能進行不連續模式操作，在輕度負載下提升效率。多用途保護功能包括逐週期電流限制、高電壓及低電壓連接埠的過壓保護、MOSFET 失效偵測，以及過溫保護。此控制器具有汽車功能安全能力。

Texas Instruments 提供 LM5170EVM-BIDIR 評估模組，能讓工程師在 12 V/48 V 雙電池系統應用中評估 LM5170-Q1。兩個相位以 180° 交錯操作，平均共用最高達 60 A 的 DC 電流。此評估模組還包含多種跳線，可靈活便利地配置電路以配合許多不同的使用案例，包括能夠由微控制器 (MCU) 和高功率單向降壓或升壓轉換器進行控制。

雙向轉換器的主控／從屬多相架構

Analog Devices 提供 LT8708 升降壓切換式穩壓器控制器，可用於 12 V/48 V 雙向電源轉換器。LT8708 是 80 V 同步 4 開關升降壓 DC-DC 控制器，具有雙向功能，可以支援高達 30 A 左右的負載電流。如需更高電流，LT8708 主控控制器可以結合一個或多個從屬晶片。採用主控／從屬架構時，可減少多相設計中的解決方案成本，因為單一 (價格更高) 主控 IC 即可控制多個 (成本更低) 從屬 IC。

當從屬元件連接到主控元件時，會按比例增加系統的功率和電流能力。但重要的是，從屬元件具有與 LT8708 相同的導通模式，因此能以與主控元件相同的方向來傳導電流和功率。主控元件會控制 LT8708 多相系統的整體電流和電壓限制，而從屬元件會遵守這些限制。

從屬元件可以將四個訊號連接在一起，輕易地與 LT8708 並聯 (圖 6)。每個從屬元件都有兩個可獨立設定的額外電流限制，即順向 V_IN 電流和逆向 V_IN 電流。

圖 6：此三相 DC-DC 轉換器使用主控元件 LT8708 和從屬 IC，重點為四個訊號互連。(圖片來源：Analog Devices)

Analog Devices 的 DC2719A 展示板使用 LT8708 搭配相關的從屬元件 LT8708-1 提供 40 A 電流。此板件能以順向和逆向模式運作。此控制器整合了輸入電壓和輸出電壓穩壓器，以及兩組輸入和輸出電流穩流器，後者可控制順向或逆向的電流流動。特點包括可在電池／電容備援系統和某些其他應用中簡化雙向電源轉換；這些應用可能需要調節 V_IN、V_OUT、I_IN 和／或 I_OUT。

電網互動式 BEV 的雙向功率因數校正

Infineon 針對電網互動式 BEV 的設計人員提供 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評估板。此 3300 W 無橋式圖騰柱功率因數校正器具有雙向電源能力 (圖 7)。這款無橋式圖騰柱 PFC 板預定用於需要高效率 (約 99％) 和高功率密度 (72 W/in3) 的應用。

圖 7：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 是一款 3300 W 無橋式圖騰柱 PFC 板。(圖片來源：Infineon)

圖騰柱拓撲採用寬能隙半導體，因此可在 PFC 應用中進行連續導通模式 (CCM) 操作。在此例中，會使用 Infineon 的 IMZA65R048M1 TO-247 四引腳封裝 CoolSiC MOSFET，在半負載下將效率提高到 99％。此轉換器專門在 CCM 中以高線路電壓操作 (最小 176 V rms，標稱 230 V rms)，切換頻率為 65 kHz。

此 3300 W 無橋式雙向 (PFC/AC-DC 和逆變器／AC-DC) 圖騰柱是採用 Infineon 功率半導體及 Infineon 驅動器和控制器進行開發的系統解決方案。此設計採用的 Infineon 元件包括：

• 64 mΩ 650 V CoolSiC MOSFET (IMZA65R048M1)，採用 TO-247 四引腳封裝，作為圖騰柱 PFC 高頻開關
• 17 mΩ 600 V CoolMOS C7 MOSFET (IPW60R017C7)，採用 TO-247 封裝，用於圖騰柱 PFC 返回路徑 (低頻橋)
• 2EDF7275F 隔離式閘極驅動器 (EiceDRIVER)
• ICE5QSAG QR 返馳式控制器和 950 V CoolMOS P7 MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1)，用於偏壓輔助電源
• XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon 微控制器，用於 PFC 控制實作

EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板中實作的圖騰柱能在整流器 (PFC) 和逆變器模式中，以連續導通模式 (CCM) 運作，並使用 Infineon 的 XMC1404Q048X0200AAXUMA1 微控制器來實作全數位控制。

結論

由於設計人員希望達到更高的效率，雙電壓 12 V/48 V 架構已崛起成為 HEV 與 BEV 的首選拓撲。也因此造就高效率電源管理的需求，以便達到最佳化的電源使用。雙向 DC-DC 轉換器和電池充電器的問世，能讓 12 V 和 48 V 系統在任一系統需要充電或過載的情況下彼此互相支援。

若是 BEV，雙向 PFC 級則可在電池和公用事業電網之間支援雙向電力流動。最後產生的 V2G 連接除了能改善燃油經濟效益外，還會帶來更多經濟效益，包括能在尖峰需求期間供電給電網，以及在低用電需求時為汽車電池充電。

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