电动自行车充电器效率的革命性变化
日期：2023-11-19
英飞凌如何利用新的拓扑结构和宽带隙技术实现凉爽、紧凑、高效的电动自行车充电器
作者：英飞凌科技电池充电器应用营销经理Aleksey Pantsirev
摘要
电动自行车充电器在解决骑手面临的常见痛点方面发挥着关键作用，例如担心电量耗尽以及携带或储存便携式充电器的负担。随着电动自行车作为一种可持续和经济的交通方式继续获得吸引力，在电动自行车充电器设计中强调效率的重要性变得势在必行。高效的充电器可以提高充电速度。通过最大限度地将电能转换为存储的电池功率，高效充电器显著减少了补充电池所需的时间。这使得骑车人可以花更少的时间等待电动自行车充电，而花更多的时间积极使用电动自行车。此外，优化电动自行车用户体验在充电器设计中至关重要。高效充电器提供稳定可靠的充电性能，确保无缝的充电过程。此外，它们在运行过程中产生的热量最小，降低了过热风险，并减轻了对广泛冷却措施的需求。因此，可以减少充电器的重量和尺寸，增强整体便携性和乘客的便利性。
同时，效率对于最大限度地减少电动自行车充电对环境的影响至关重要。通过最大限度地减少充电过程中的能量损失，高效充电器有助于节约宝贵资源和促进可持续交通解决方案。
英飞凌为电动自行车提供高效充电
认识到这些关键因素对高效电动自行车充电的重要性，对于将电动自行车无缝融入我们的日常生活至关重要。为了应对设计挑战，英飞凌为电动自行车电池充电器的所有重要组件提供了全面的半导体产品组合。一系列专用电池管理系统（BMS）、控制器IC和开关，如CoolGaN™ 和CoolMOS™, 满足成本效益和超高效电池充电设计，展示了英飞凌在提供解决方案方面的专业知识，以满足电动自行车行业普遍存在的各种充电要求。
除了全面的半导体产品外，英飞凌还提供了专门为电动自行车充电器量身定制的完整参考设计。这些参考设计与现实世界中的系统非常相似，使客户能够有效地简化其开发过程。通过利用这些参考设计，客户可以显著减少开发时间，增强系统集成，并实现优化的性能。最终，这将简化设计流程，加快电动自行车充电器解决方案的上市时间。
PFC反激式解决方案以可承受成本实现卓越效率
充电器设计者面临的挑战是平衡技术参数，如效率和通用输入，同时考虑成本限制，以开发最佳解决方案。英飞凌利用LED照明应用中常用的PFC反激式转换器拓扑结构，设计了一种经济高效的充电器解决方案，功率输出为116W。PFC反激背后的基本思想是使用边界传导模式（BCM）来控制它[1]。像ICL8810这样的控制器迫使峰值漏极电流遵循输入电压的形状，类似于升压拓扑中的PFC预调节器，但在操作上有一些差异。因此，整流器之后的体电容器可以用小电容薄膜电容器代替，从而最小化系统材料清单（BOM）。
因此，反激式转换器不是由DC电压供电，而是由具有两倍线路频率的半波供电。如图1所示，通过保持ton恒定并根据输入电压半波改变toff来连续调整开关周期。结果，仅用一个AC-DC级就实现了良好的功率因数和低THD。
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图1.相对于输入电压的PFC反激电流
参考设计（图2）将于2023年第三季度提供，涵盖AC交流输入电压范围，并在230 VAC、RMS输入下实现90%以上的功率转换效率。该解决方案支持的输出电压范围在30至58V之间，特别适用于中国和亚洲其他国家常见的48V电池组电动自行车充电器。
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图2.具有PFC反激拓扑的116 W参考设计的设计
高效快速充电器的混合反激
快速电动自行车充电器通常具有4 A或5 A的充电电流，使骑车人能够迅速重新上路。当充电器的输出功率增加时，会出现一些挑战，特别是与损耗有关的挑战。其中，半导体开关中的开关和传导损耗，以及磁性损耗，如变压器和电感器中的铁芯和绕组损耗，都需要仔细设计。像有源箝位反激式（ACF）这样的传统拓扑结构的主要局限性是它们无法从寄生元件和大的变压器尺寸中回收能量。英飞凌推出了几种基于混合反激式转换器的充电器解决方案，也称为不对称半桥反激式变换器。这种谐振拓扑使用磁化电流在初级侧半桥上实现ZVS，在同步整流开关上实现ZCS操作[2]。
图3显示了与ACF相比，混合反激式转换器中的能量共享示例。在混合反激的情况下，存储在变压器和电容器中的能量的比例取决于负载条件。
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图3.与ACF相比，混合反激通过共享存储能量显著减小了变压器尺寸。
英飞凌针对电动自行车电池充电器的REF_XDPS2201_170W_BPA 170 W AC-DC参考设计（图4）表明，混合反激式可以直接从整流电源运行，无需PFC输入级。它输出18V至42V的宽DC电压和高达4A的电流。在没有散热器或风扇的情况下，满负载时的峰值效率达到95%。参考设计可以使用具有多模式操作的新型数字控制器XDP™ XDPS2201来参数化，以优化效率。
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图4.采用混合反激式拓扑结构的170W参考设计
混合反激式GaN解决方案实现最高效率和功率密度
英飞凌一直在探索氮化镓（GaN）技术为电动自行车充电器带来的诸多好处，包括提高功率密度、更高的开关频率、改进热管理和提高整体效率。与硅晶体管相比，GaN晶体管表现出在给定击穿电压和RDS(on)特性下实现降低的总栅极电荷和寄生电容的能力，同时表现出零反向恢复电荷。这意味着ZVS具有更低的磁化电流、降低的开关导通损耗和更紧凑的变压器尺寸。GaN晶体管的这些特性提高了效率并改善了开关性能，从而实现了更高的开关频率。这反过来又允许利用较小的无源元件，从而提高功率密度。
英飞凌的CoolGaN™ GaN晶体管技术提高了电动自行车充电器的功率转换性能。产品组合中的产品包括CoolGaN™ IGLD60R190D1和IGLD60R070D1–PG-HSOF-8-3表面安装封装的工业认证600 V常关功率晶体管。它们的电流额定值为15 A和10 A，典型RDS(on)为190 mΩ 和70mΩ，温度分别为25°C。单独的Kelvin源极连接消除了公共源极电感，并允许优化栅极驱动。
英飞凌的XDP™ XDPS2221控制器是一款高度集成的器件，结合了多模PFC控制器和多模DC-DC混合反激控制器，提供两个功率级的协调操作。所有栅极驱动器和用于初始IC电压供应的600V高压启动单元的进一步集成可以实现低的外部组件计数。
混合反激拓扑的ZVS操作和CoolGaN™技术的优点可以结合起来设计一个高效紧凑的电动自行车充电器（图5）。
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图5.使用XDP™ XDPS2221组合IC和CoolGaN™ 晶体管的高功率密度充电器的简化电源架构
通过USB-C为电动自行车充电
电动自行车领域的一个新兴趋势是采用USB-C端口来获取或吸收电力。配备USB type C PD技术的电动自行车可以使用传统的智能手机适配器从高压USB-PD端口高效安全地供电。英飞凌的EZ-PD™ PMG1（Power Delivery（PD）微控制器（MCU）第1代）是一系列高压微控制器，采用USB-PD和集成的ARM®Cortex®M0/M0+CPU，具有高达256 KB的闪存、高达32 KB的RAM、USB全速设备以及可编程模拟和数字外围设备。该产品组合涵盖了电动自行车充电的具体要求，确保了最佳的电源管理和与USB-PD充电基础设施的兼容性（图6）。
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图6.EZ-PD™ PMG1系列是一种针对高压USB-C端口供电系统的高压微控制器USB-C PD解决方案
EZ-PD™ PMG1-S3高压MCU是业界领先的MCU系列，支持USB-PD 3.1 EPR（扩展功率范围），可以在5 A（140 W）下为电动自行车的电池补充高达28 V的电压。它可以通过I2C或GPIO与系统降压-升压控制器通信，以提供协商的USB-C PD电源。MCU系列有两种封装——QFN-48封装支持一个USB-C端口，而97-BGA封装支持双USB-C端口。
英飞凌产品组合中的另一个高度集成的USB-PD解决方案是EZ-PD™ PMG1-B1 MCU，具有集成降压-升压控制器、宽输入电压范围（5.5V至24V，容差40V）和3.3V至21.5V输出电压范围。它实现了一个强大且易于使用的解决方案，同时通过集成降低了BOM成本。所有EZ-PD™ PMG1 MCU是现场可编程的，以允许签名固件更新，从而提高效率。
总结
文章讨论了高效电动自行车充电器设计的重要性，以及英飞凌如何彻底改变电动自行车和轻型电动汽车的充电方式。高效的充电器不仅缩短了充电时间，还增强了用户体验，最大限度地减少了对环境的影响，并促进了可持续的交通解决方案。英飞凌提供全面的半导体产品组合，包括为电动自行车电池充电器量身定制的电池管理系统、控制器IC和开关；同时还提供了完整的参考设计，使客户能够简化开发流程，缩短上市时间，并优化性能。
我们重点介绍了英飞凌的几个关键解决方案：用于经济高效充电的PFC反激式解决方案、高效快速充电器的混合反激式转换器，以及与CoolGaN™技术结合的混合反反激实现更高的效率和功率密度。文章还提到，利用英飞凌的的EZ-PD™ PMG1系列高压微控制器，电动自行车可以通过USB-C PD连接器充电受益。这些解决方案提供了最佳的电源管理和与USB-PD充电基础设施的兼容性。
参考文献
[1] Michael Weirich, “A dimmable, high efficiency, high power factor, primary side regulated flyback for LED Lighting applications,” eeNews Europe, September 7, 2011 [Available online][2] Tim Hu, Gautam Chinagundi, Rashed Ahmed, “Infineon’s recommendations and solutions for USB-C PD chargers,” Whitepaper, April 2021
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