介紹

STDES-2KW5CH48V 參考設(shè)計(jì)主要為工業(yè)輕型電動(dòng)汽車 (LEV) 提供充電解決方案，例如電動(dòng)自行車、電動(dòng)人力車、叉車、微型電動(dòng)車。也適用于工業(yè)物流機(jī)器人。

充電器實(shí)施兩種充電配置文件：一種用于鋰離子電池，另一種用于鉛酸電池，它們適用于電池充電的最新趨勢(shì)。

充電器設(shè)計(jì)基于升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 電路，由提供高 PF 的 L4984D 控制大于 0.9，然后是基于全橋 LLC 諧振功率轉(zhuǎn)換器的 DC-DC 電路，由 L6599A 控制。對(duì)于輸出整流，已選擇二極管與使用中心抽頭的 LLC 變壓器次級(jí)繞組配置。該設(shè)計(jì)采用 STM32F072CB 微控制器來控制功率級(jí)和電池充電曲線，并管理保護(hù)和用戶界面。PFC 級(jí)使用 MDmesh M5 功率 MOSFET 和 SiC 二極管。MDmesh DM6 功率 MOSFET 用于 LLC階段。初級(jí)和次級(jí)部分均由基于 VIPER16 的離線反激式電路供電。該電路提供調(diào)節(jié)電壓到微控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和信號(hào)調(diào)理電路。正式的測試和測量結(jié)果證實(shí)了 ST 電源產(chǎn)品的性能結(jié)合綜合能力數(shù)字控制，以在寬輸入電壓和負(fù)載條件下提供高效率、接近統(tǒng)一的功率因數(shù)和低 THD。STDES-2KW5CH48V 是完全組裝的參考設(shè)計(jì)，僅用于性能評(píng)估，不適用于銷售。

Table 1. STDES-2KW5CH48V characteristics

概述

該系統(tǒng)圍繞 CCM PFC 升壓前端構(gòu)建，該前端運(yùn)行兩個(gè)并聯(lián)的 M5 MOSFET 和一個(gè) x SiC整流器。輸入市電交流電轉(zhuǎn)換為 415 V 直流母線，為內(nèi)置的下游 LLC 轉(zhuǎn)換器供電中心抽頭，全波拓?fù)?。?qǐng)參閱下面的框圖以更好地了解系統(tǒng)功能和手術(shù)。

已采用整體方法使該裝置緊湊、高效且易于構(gòu)建。LLC的輸出轉(zhuǎn)換器采用全橋整流。工作頻率范圍從 40 VDC 輸出時(shí)的 140 kHz 到 85 kHz在 60 VDC 輸出。有兩個(gè)用于 CV 和 CC 的誤差放大器，用于回退并在獨(dú)立模式下運(yùn)行。這意味著，雖然系統(tǒng)能夠在MCU監(jiān)控下運(yùn)行，可以預(yù)設(shè)非監(jiān)控運(yùn)行點(diǎn)。例如，即使系統(tǒng)可以使用合適的命令集從 40-60 V 提供，如果沒有命令可用，它可以在出廠預(yù)設(shè)設(shè)置（40 V 和 5 A）下默認(rèn)工作。這對(duì)測試很有用，調(diào)試，并將其用作通用電源。一個(gè) 2 型和一個(gè) 3 型補(bǔ)償器，圍繞運(yùn)算放大器，用于 CC 和 CV 環(huán)路補(bǔ)償。這是內(nèi)部模擬環(huán)路。

MCU 設(shè)置整體電流和電壓，以調(diào)制具有兩個(gè)三級(jí)誤差放大器的參考脈寬調(diào)制信號(hào)。這些 PWM 信號(hào)經(jīng)過低通濾波和平均以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)參考值由系統(tǒng)控制器決定的設(shè)定點(diǎn)。

STDES-2KW5CH48V 功率級(jí)通過專用模擬控制器和一個(gè)微控制器，它根據(jù)您的要求管理應(yīng)用程序。

STDES-2KW5CH48V 可在 85-265 VAC 的輸入電源電壓范圍內(nèi)工作，并且可以提供輸出當(dāng)輸入電壓高于 180 VAC 時(shí)，功率高達(dá) 2.5 kW。低于此閾值時(shí)，輸出功率能力降額至 1.25 kW。

參考設(shè)計(jì)根據(jù)歐盟調(diào)整輸出功率傳輸參數(shù)或美國輸入電壓，通過隔離放大器檢測。PFC 和全橋 LLC 功率級(jí)參考初級(jí)接地，而 LLC 控制器和微控制器被稱為二次地。輔助電源為微控制器供電，柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 和信號(hào)調(diào)理電路。有關(guān)充電器狀態(tài)和設(shè)置的用戶信息，PCB 上有 LED。如果出錯(cuò)發(fā)生或觸發(fā)保護(hù)時(shí)，板載 D5 LED 閃爍。D5 LED 閃爍計(jì)數(shù)因不同的錯(cuò)誤/保護(hù)。要對(duì)微控制器重新編程，請(qǐng)?jiān)?J4 連接器上施加 +12 V DC。使用 IAR 嵌入式Workbench for Arm（ver.9.10 或更高版本）或任何其他適合編程和調(diào)試的編程工具。

STDES-2KW5CH48V key components

STDES-2KW5CH48V電源由以下關(guān)鍵部件組成：

1、交流輸入市電交流電源端子；

2. 安裝在散熱器上的橋式整流器；

3. 安裝在散熱器上的 PFC MOSFET 和 SiC 二極管；

4. PFC 輸出大電容；

5.輔助電源；

6. 用戶界面——開關(guān)；

7. 安裝在專用子板上的 LLC MOSFET 和安裝在散熱器上的子卡；

8. LLC諧振電感；

9. LLC諧振電容；

10. LLC變壓器；

11.安裝在散熱器上的輸出整流二極管；

12、直流輸出端；

13. PFC擺動(dòng)扼流圈；

Firmware lowcahrt

STDES-2KW5CH48V硬件修改

如果需要更高的電池電壓，則幾乎不需要修改硬件。整個(gè)初級(jí)側(cè)（PFC階段，DC-DC全橋LLC）保持不變。相反，在次級(jí)側(cè)，輸出電壓檢測電阻需要修改。最常見的 LEV 電池針對(duì) 48、72 或 144 V 系統(tǒng)。

72 V 標(biāo)稱電壓系統(tǒng)預(yù)計(jì)可在 65 V 的下限至 88 V 的上限范圍內(nèi)工作。電流限制為 32 A 或 2500 W 功率輸出。恒定功率超過 75 V 且恒定電流低于 75 V，最大 32 A。整流器級(jí)（中心抽頭次級(jí)）保持不變。到期的對(duì)于更高的輸出電壓，建議使用 250-300 V 肖特基或超快速二極管。變壓器匝數(shù)比應(yīng)為 61。相應(yīng)地，應(yīng)該使用更薄的Litz。線股直徑必須不超過 0.1 毫米。原來的變壓器是8.671的比例。不應(yīng)修改主要對(duì)象。與非常仔細(xì)的布局和變壓器設(shè)計(jì)，我們建議從 250-300 V 器件二極管開始，并檢查在所有條件下過沖。

然后，將其替換為 200 V 肖特基，因?yàn)樗驯皇褂貌Ⅱ?yàn)證表現(xiàn)。因此，可以重復(fù)使用同一個(gè)二極管。也改變輸出濾波電容：相同值必須使用，但額定電壓必須至少為 100 V。ESR 也非常重要，因?yàn)槭褂玫氖菗p失最低的特殊類型。Rubycon ZLH 系列就是一個(gè)合適的例子。

同樣，反向保護(hù) MOSFET 可以重復(fù)使用，因?yàn)橹挥兄绷鏖_關(guān)。然而，你應(yīng)遵循正確的啟動(dòng)順序程序。分流器可以是相同的，只改變固件設(shè)置最大電流。不需要改變電流放大器增益。輸出電壓可以相應(yīng)地修改檢測電阻。R114、123 和 134 需要適當(dāng)縮放以從 64 V 開始。

144 V 標(biāo)稱電壓系統(tǒng)預(yù)計(jì)可在 135 V 的下限至 175 V 的上限范圍內(nèi)工作V. 電流限制為 20 A 或 2500 W 功率輸出。恒功率超過160V且恒定電流低于 160 V 最大 16 A。整流器級(jí)（中心抽頭次級(jí)）保持不變。由于輸出電壓較高，建議使用 400 V 超快二極管。變壓器匝數(shù)比應(yīng)為 31。相應(yīng)地，應(yīng)該使用更薄的Litz。線股直徑必須不超過 0.1 毫米。原裝變壓器為8.671變比，初級(jí)不宜改動(dòng)。還必須對(duì)輸出濾波電容進(jìn)行更改：必須使用一半的值，但電壓額定值必須至少為 200 V。

ESR 也非常重要，因?yàn)槭褂玫氖翘厥忸愋偷淖畹偷膿p失。Rubycon ZLH 系列就是一個(gè)合適的例子。同樣，反向保護(hù) MOSFET額定電壓至少為 200 V。但是，您應(yīng)該遵循正確的啟動(dòng)順序程序。這分流器可以相同，僅更改固件以設(shè)置最大電流。目前沒有變化需要放大器增益?？梢韵鄳?yīng)地修改輸出電壓檢測電阻。R114,123, 和134 需要適當(dāng)縮放以從 134 V 開始。

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

L4984D：連續(xù)電流模式功率因素控制器

L6599AD：雙管半橋諧振控制器

STM32F072CBT6：主流Arm Cotex-M0 USB單片機(jī)與128 KB 的閃存，48兆赫中央處理器，USB，CAN 和 CEC功能

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

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

STPSC20H065CW 650V, 20A ,雙組較高浪涌電壓碳化硅二極管

VIPER16HN：VIPerPlus 系列：節(jié)能6W高壓轉(zhuǎn)換器與直接反饋

?方案規(guī)格

輸入交流電壓：85 至 265 V AC

1.75 kW 負(fù)載時(shí)的峰值效率：>93.5%

滿載時(shí)的峰值效率：>93%

PFC 輸出電壓：415V ± 2%

PFC 工作模式：CCM

PFC 控制器：L4984D

輸入電壓范圍內(nèi)的功率因數(shù) 85 – 265 V AC：>0.97 for load > 20%

輸入電壓范圍內(nèi)的 THD 85 – 265 V AC：<10> 20%

最大輸出功率：2.5 kW（歐洲電壓范圍）、1.25 kW（美國電壓范圍）

DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌喝珮?LLC

LLC 電源轉(zhuǎn)換器頻率范圍：90 – 160 kHz

啟動(dòng)：軟啟動(dòng)

整流拓?fù)洌褐行某轭^

冷卻：強(qiáng)制空氣

保護(hù)：低輸入電壓和高輸入電壓，低輸出電壓和高輸出電壓，輸出過流和短路保護(hù)