找方案 | 基于STDES-2KW5CH48V-适用于工业轻型电动汽车的2.5 kW - 48 V电池充电器参考设计

介绍

STDES-2KW5CH48V 参考设计主要为工业轻型电动汽车 (LEV) 提供充电解决方案，例如电动自行车、电动人力车、叉车、微型电动车。也适用于工业物流机器人。

充电器实施两种充电配置文件：一种用于锂离子电池，另一种用于铅酸电池，它们适用于电池充电的最新趋势。

充电器设计基于升压功率因数校正 (PFC) 电路，由提供高 PF 的 L4984D 控制大于 0.9，然后是基于全桥 LLC 谐振功率转换器的 DC-DC 电路，由 L6599A 控制。对于输出整流，已选择二极管与使用中心抽头的 LLC 变压器次级绕组配置。该设计采用 STM32F072CB 微控制器来控制功率级和电池充电曲线，并管理保护和用户界面。PFC 级使用 MDmesh M5 功率 MOSFET 和 SiC 二极管。MDmesh DM6 功率 MOSFET 用于 LLC阶段。初级和次级部分均由基于 VIPER16 的离线反激式电路供电。该电路提供调节电压到微控制器、栅极驱动器 IC 和信号调理电路。正式的测试和测量结果证实了 ST 电源产品的性能结合综合能力数字控制，以在宽输入电压和负载条件下提供高效率、接近统一的功率因数和低 THD。STDES-2KW5CH48V 是完全组装的参考设计，仅用于性能评估，不适用于销售。

Table 1. STDES-2KW5CH48V characteristics

概述

该系统围绕 CCM PFC 升压前端构建，该前端运行两个并联的 M5 MOSFET 和一个 x SiC整流器。输入市电交流电转换为 415 V 直流母线，为内置的下游 LLC 转换器供电中心抽头，全波拓扑。请参阅下面的框图以更好地了解系统功能和手术。

已采用整体方法使该装置紧凑、高效且易于构建。LLC的输出转换器采用全桥整流。工作频率范围从 40 VDC 输出时的 140 kHz 到 85 kHz在 60 VDC 输出。有两个用于 CV 和 CC 的误差放大器，用于回退并在独立模式下运行。这意味着，虽然系统能够在MCU监控下运行，可以预设非监控运行点。例如，即使系统可以使用合适的命令集从 40-60 V 提供，如果没有命令可用，它可以在出厂预设设置（40 V 和 5 A）下默认工作。这对测试很有用，调试，并将其用作通用电源。一个 2 型和一个 3 型补偿器，围绕运算放大器，用于 CC 和 CV 环路补偿。这是内部模拟环路。

MCU 设置整体电流和电压，以调制具有两个三级误差放大器的参考脉宽调制信号。这些 PWM 信号经过低通滤波和平均以创建动态参考值由系统控制器决定的设定点。

STDES-2KW5CH48V 功率级通过专用模拟控制器和一个微控制器，它根据您的要求管理应用程序。

STDES-2KW5CH48V 可在 85-265 VAC 的输入电源电压范围内工作，并且可以提供输出当输入电压高于 180 VAC 时，功率高达 2.5 kW。低于此阈值时，输出功率能力降额至 1.25 kW。

参考设计根据欧盟调整输出功率传输参数或美国输入电压，通过隔离放大器检测。PFC 和全桥 LLC 功率级参考初级接地，而 LLC 控制器和微控制器被称为二次地。辅助电源为微控制器供电，栅极驱动器 IC 和信号调理电路。有关充电器状态和设置的用户信息，PCB 上有 LED。如果出错发生或触发保护时，板载 D5 LED 闪烁。D5 LED 闪烁计数因不同的错误/保护。要对微控制器重新编程，请在 J4 连接器上施加 +12 V DC。使用 IAR 嵌入式Workbench for Arm（ver.9.10 或更高版本）或任何其他适合编程和调试的编程工具。

STDES-2KW5CH48V key components

STDES-2KW5CH48V电源由以下关键部件组成：

1、交流输入市电交流电源端子；

2. 安装在散热器上的桥式整流器；

3. 安装在散热器上的 PFC MOSFET 和 SiC 二极管；

4. PFC 输出大电容；

5.辅助电源；

6. 用户界面——开关；

7. 安装在专用子板上的 LLC MOSFET 和安装在散热器上的子卡；

8. LLC谐振电感；

9. LLC谐振电容；

10. LLC变压器；

11.安装在散热器上的输出整流二极管；

12、直流输出端；

13. PFC摆动扼流圈；

Firmware lowcahrt

STDES-2KW5CH48V硬件修改

如果需要更高的电池电压，则几乎不需要修改硬件。整个初级侧（PFC阶段，DC-DC全桥LLC）保持不变。相反，在次级侧，输出电压检测电阻需要修改。最常见的 LEV 电池针对 48、72 或 144 V 系统。

72 V 标称电压系统预计可在 65 V 的下限至 88 V 的上限范围内工作。电流限制为 32 A 或 2500 W 功率输出。恒定功率超过 75 V 且恒定电流低于 75 V，最大 32 A。整流器级（中心抽头次级）保持不变。到期的对于更高的输出电压，建议使用 250-300 V 肖特基或超快速二极管。变压器匝数比应为 61。相应地，应该使用更薄的Litz。线股直径必须不超过 0.1 毫米。原来的变压器是8.671的比例。不应修改主要对象。与非常仔细的布局和变压器设计，我们建议从 250-300 V 器件二极管开始，并检查在所有条件下过冲。

然后，将其替换为 200 V 肖特基，因为它已被使用并验证表现。因此，可以重复使用同一个二极管。也改变输出滤波电容：相同值必须使用，但额定电压必须至少为 100 V。ESR 也非常重要，因为使用的是损失最低的特殊类型。Rubycon ZLH 系列就是一个合适的例子。

同样，反向保护 MOSFET 可以重复使用，因为只有直流开关。然而，你应遵循正确的启动顺序程序。分流器可以是相同的，只改变固件设置最大电流。不需要改变电流放大器增益。输出电压可以相应地修改检测电阻。R114、123 和 134 需要适当缩放以从 64 V 开始。

144 V 标称电压系统预计可在 135 V 的下限至 175 V 的上限范围内工作V. 电流限制为 20 A 或 2500 W 功率输出。恒功率超过160V且恒定电流低于 160 V 最大 16 A。整流器级（中心抽头次级）保持不变。由于输出电压较高，建议使用 400 V 超快二极管。变压器匝数比应为 31。相应地，应该使用更薄的Litz。线股直径必须不超过 0.1 毫米。原装变压器为8.671变比，初级不宜改动。还必须对输出滤波电容进行更改：必须使用一半的值，但电压额定值必须至少为 200 V。

ESR 也非常重要，因为使用的是特殊类型的最低的损失。Rubycon ZLH 系列就是一个合适的例子。同样，反向保护 MOSFET额定电压至少为 200 V。但是，您应该遵循正确的启动顺序程序。这分流器可以相同，仅更改固件以设置最大电流。目前没有变化需要放大器增益。可以相应地修改输出电压检测电阻。R114,123, 和134 需要适当缩放以从 134 V 开始。

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

L4984D：连续电流模式功率因素控制器

L6599AD：双管半桥谐振控制器

STM32F072CBT6：主流Arm Cotex-M0 USB单片机与128 KB 的闪存，48兆赫中央处理器，USB，CAN 和 CEC功能

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

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

STPSC20H065CW 650V, 20A ,双组较高浪涌电压碳化硅二极管

VIPER16HN：VIPerPlus 系列：节能6W高压转换器与直接反馈

►方案规格

输入交流电压：85 至 265 V AC

1.75 kW 负载时的峰值效率：>93.5%

满载时的峰值效率：>93%

PFC 输出电压：415V ± 2%

PFC 工作模式：CCM

PFC 控制器：L4984D

输入电压范围内的功率因数 85 – 265 V AC：>0.97 for load > 20%

输入电压范围内的 THD 85 – 265 V AC：<10> 20%

最大输出功率：2.5 kW（欧洲电压范围）、1.25 kW（美国电压范围）

DC-DC 转换器拓扑：全桥 LLC

LLC 电源转换器频率范围：90 – 160 kHz

启动：软启动

整流拓扑：中心抽头

冷却：强制空气

保护：低输入电压和高输入电压，低输出电压和高输出电压，输出过流和短路保护