基于MCU的車載充電系統的研究與實現

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0072-04

【Abstract】This paper presents an on-board charging system with direct power control using the SR5E1 MCU， includinga 22kW OBCanda 3kW DC/DC.The system is designed forthe highest 80oV high-voltage batery platform andachieves high integrationof theon-board charging system byadopting the third-generation power semiconductor SiC MOSFETand electromagnetic isolation gate driver.The SR5E1 isused toimplement the thre-phase PFC and CLLC in the high-frequencycontrollopandthepeak currentcontrolld phase-shiftedfullbridge DC/DC.Experimentalresultsshow that the OBC efficiency reaches 96.5% ，the CLLC resonant converter maintains soft-switching characteristics over a wide output voltagerange （450～85OV），andtheload transientresponse bandwidthof theDC/DC module is increased to 6.5kHz.

【Key words】SR5E1 MCU；OBC；SiC MOSFET;functional safety;isolated gate driver

0 引言

隨著新能源汽車技術的發展，純電動汽車呈現出爆發式的增長。對于純電動汽車而言，動力電池的充電技術是其發展的關鍵。充電效率和方便性是充電技術的重要指標。本文主要介紹有別于傳統車載充電器、采用微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）直接功率控制而設計的 22kW OBC+3kW DC/DC集成式車載充電系統。

1傳統車載充電系統方案

隨著車載充電功率越來越高，傳統的功率器件無法滿足高壓大電流的需求。隨著新型功率材料的使用，開關頻率的需求提升了5倍以上（碳化硅金屬-氧化物-半導體場效應晶體管SiCMOSFET、氮化鎵高電子遷移率晶體管GaNHEMT開關頻率可達到 200kHz 以上，而傳統硅基功率器件通常低于50kHz ）。與之匹配的是，模擬接口與保護接口的速率也需同步提升5倍以上。微控制器 MCU+ 數字信號處理器（DigitalSignal Processor，DSP）是當前車載充電控制系統的主流方案。MCU通過通信管理DSP實現功率因數校正（PowerFactorCorrection，PFC）、串聯諧振全橋變換器（Capacitor-Inductor-Inductor-Capacitor，CLLC）、直流-直流變換器DC/DC控制。如圖1所示，傳統方案中至少需要1顆MCU+5 顆DSP。

圖1MCU+DSP車載充電系統拓撲

本文采用MCU取代傳統 MCU+DSP 的方案拓撲，既要滿足寬禁帶半導體（Wide Bandgap Semiconductor，WBS）（SiC/GaN）對控制器的性能要求，還要實現高低壓的安全隔離，滿足 22kW 高壓充電和3kW低壓充電的需求。

2 系統總體結構設計

車載充電系統結構如圖2所示，系統分為兩級拓撲結構：高壓充電OBC和低壓充電DC/DC。

圖2車載充電系統結構

OBC前級采用功率因數校正（PowerFactorCorrection，PFC）交流-直流變換，實現高功率因數輸入并抑制高次諧波，從而最小化總諧波失真。經過隔離與調壓模塊CLLC后，進行整流濾波，最終輸出電能為高壓動力電池充電。

DC/DC模塊從高壓電池取電，采用移相全橋加同步整流的方式，將電壓降至低壓蓄電池適配的充電水平。

2.1 三相六開關PFC拓撲

三相PFC電路采用三相六開關PFC拓撲，其結構如圖3所示。

圖3三相六開關PFC拓撲結構

三相PFC電路的主要功能是對交流輸人電流進行功率因數校正，使交流輸人電流波形完全跟隨交流輸入電壓變化，呈現純阻性負載特性，進而實現高功率因數。輸入電流與電壓波形呈純正弦耦合狀態，其脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，PWM）控制下的波形關系如圖4所示。

三相六開關PFC拓撲主要包含以下幾個部分。

圖4PWM控制的波形關系

1）EMI抑制電路，主要由C1、C2電容和共模電感等組成。其作用是濾除充電機與電網之間的各類電磁干擾，防止諧波相互影響導致電網污染，同時保護系統電路及其他電子電力設備。

2）過流保護熔斷器，用于防止充電時過載而損壞后級電路。

3）整流電路，主要采用意法半導體第三代功率半導體SiCMOSFET（型號：SCT015W120G3-4AG）組成六開關整流橋。MCU（型號：SR5E1）通過隔離驅動模塊（型號：STGAP2SIC）對SiCMOSFET進行高頻控制。

2.2 CLLC串聯諧振全橋拓撲

CLLC串聯諧振全橋變換器是PFC后的核心功率變化電路。電容-電感-電感-電容串聯諧振全橋為雙向諧振全橋拓撲，可以將電池能量逆變為電網交流電輸送給電網（V2G）或者隨車電器使用（V2L）。CLLC諧振拓撲結構如圖5所示。

圖5CLLC諧振拓撲結構

CLLC拓撲結構適合電動汽車的動力電池充電特性，滿足充電系統高效率、大功率的要求，其主要特點如下。

1）全負載范圍內的零電壓開通（ZeroVoltageSwitching，ZVS）：在全負載范圍內，功率開關管都能實現零電壓開通ZVS，極大地降低了開關損耗。

2）提高開關頻率以優化器件體積：通過提高開 關頻率減小無源器件的體積，進而增大功率密度。

3）副邊對稱設計：副邊采用與原邊對稱的MOSFET，實現軟開關，包括零電流開通（ZeroCurrentSwitching，ZCS）和零電壓開通ZVS，從而降低開關損耗。

4）良好的電壓調節性能：通過變壓器實現電氣隔離和升降壓功能，能夠實現寬范圍的輸出電壓。

5）寬負載范圍內的高效運行：能夠在恒流-恒壓（ConstantCurrent-ConstantVoltage，CC-CV）模式下，在寬負載范圍內高效運行。

6）軟開關控制：MCU（型號：SR5E1）通過隔離驅動模塊（型號：STGAP2SIC）控制SiCMOSFET，進一步保障軟開關實現，降低開關損耗。

2.3 DC/DC移相全橋拓撲

移相全橋拓撲將高壓電池電壓（400～800V）轉換為9～16V（典型值為14V），用于給低壓蓄電池充電，滿足車載低壓電器的供電需求。DC/DC移相全橋采用MCU（型號：SR5E1）實現高主頻峰值電流控制，能夠滿足3kW的充電功率。其主要優點為：寬范圍且穩定的電壓輸入能力；高主頻MCU能夠實現快速響應和高帶寬控制，將系統控制階數簡化為1階；控制回路補償簡單，降低了CPU的負荷；具備變壓器磁通平衡能力，有助于減小直流母線電容的應力與容量需求；模塊的負載瞬態響應帶寬提升至 6.5kHz ，提高了系統的動態性能。DC/DC移相全橋拓撲結構如圖6所示。

圖6DC/DC移相全橋拓撲結構

圖7SR5E1模擬比較器與快速保護原理

3 系統優勢

3.1 SR5E1MCU的主要資源

1）內核資源。兩顆 300MHz 主頻的Cortex-M7ARM內核。兩核可以獨立運行，或合并為帶鎖步的內核，以實現內核功能安全。

2）高精度PWM發波外設。外設高精度定時器（High-ResolutionTimer，HRTIM），最高精度可達102ps 。

3）增強的模擬功能。擁有高速逐次逼近型模數轉換 器（Successive Approximation Register Analog-to-DigitalConverter，SARADC），最高采樣速率可達2.5MSPS，以及片上模擬比較器（On-ChipComparator，COMP）和片上數模轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）。

4）運算加速器。運用坐標旋轉數字計算機（Coordinate Rotation Digital Computer，CORDIC）算法的加速器，可加速復雜的數學運算。

5）功能安全。符合IS026262標準，最高可達到汽車安全完整性等級D（AutomotiveSafetyIntegrityLevelD，ASIL-D）。支持硬件安全模塊（HardwareSecurityModule，HSM）、故障收集器、自檢控制單元、循環冗余校驗（Cyclic RedundancyCheck，CRC）及空中下載技術（Over-The-Air Technology，OTA）升級等。

3.2SR5E1MCU在車載充電系統中的技術亮點與優勢

1）SR5E1MCU的高精度定時器HRTIM能夠產生高頻PWM波，通過隔離式柵極驅動器控制SiCMOSFET，滿足高頻開關的需求。每個HRTIM模塊由1個主定時器和6個從定時器組成。每個從定時器具備兩路物理輸出通道，既可以獨立發波，也可以實現PWM互補輸出。硬件死區插人不僅能安全有效地防止橋在切換過程中上下直通，而且相比軟件操作的死區更加迅速有效。主定時器雖無實際輸出物理通道，但可以產生同步事件，使各從定時器同步啟動或關閉。每路定時器可以選擇多個事件源來實現周期與占空比調節，并且每個定時器都有自己獨立的時鐘分頻器，以實現不同的定時周期。

2）高速逐次逼近型模數轉換器SARADC模塊通道可以實現最高2.5MSPS的采樣速率和12位的采樣精度，能夠保證采樣結果的實時性，并且可以進行事件觸發采樣，以確保采樣結果的有效性。

3）片上模擬比較器和片上數模轉換器DAC可減少系統反應時間。通過SARADC、片上模擬比較器COMP和DAC，可實現過閾值快速PWM保護關閉與逐周期PWM控制，并可用于對峰值電流的斜率補償，進一步增強模擬功能。其工作原理如圖7所示。

3.3基于SR5E1MCU的車載充電系統優勢

基于SR5E1MCU的車載充電系統在硬件集成與控制邏輯上具備顯著優勢，其整體架構如圖8所示。整個系統使用2顆SR5E1MCU實現高壓OBC充電與低壓充電DC/DC的控制。其中DC/DC部分采用1顆帶獨立鎖步核的SR5E1，以滿足功能安全ASIL-D的需求。OBC部分采用1顆雙核MCU，分別處理PFC和CLLC兩部分。系統優勢如下。

1）三相PFC支持 22kW 、800V輸人，總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD）小于 3% 。逐次控制回路運行在SR5E1的 300MHz 主頻上。

2）低壓DC/DC支持 3kW 、800V輸人，具備更快的響應速度和流量平衡能力。采用峰值電流控制，通過SR5E1的HRTIM、模擬比較器COMP和數模轉換器DAC實現。

3）用于移相全橋DC/DC的模擬和數字混合控制，提高了系統的靈活性和效率。

4）CLLC支持20kW、800V的寬電壓范圍，具備總線連接、PWM及頻率混合控制功能，通過SR5E1的HRTIM實現。

4樣機驗證

4.1 臺架測試

根據上述方案，本文制作了峰值功率 22kW 的OBC和峰值功率 3.3kW 的DC/DC車載充電系統樣機，如圖9所示。

4.2 三相PFCOBC測試

測試條件： ① 三相交流輸入， 380V ， 50Hz ② 電池電壓500～800V； ③ 死區時間，PFC 150ns ，CLLC 150ns 。

基于上述測試條件，當水冷溫度 25°C 、環境溫度 25°C 時，得到三相PFCOBC的效率特性曲線，如圖10所示。

4.33kWDC/DC高壓轉低壓全功率運行測試

測試條件： ① 開關頻率 100kHz ; ② 自適應死區時間。

基于上述條件，3kWDC/DC的全功率運行特性如圖11所示。

圖9樣機測試圖

圖10三相PFCOBC測試效率圖

圖8基于SR5E1MCU的車載充電系統

圖113kWDC/DC的全功率運行特性圖

5結論

本文深入研究了基于SR5E1MCU的車載充電系統整體拓撲和分模塊電路拓撲，通過使用SR5E1MCU和隔離驅動模塊（如STGAP2SIC）直接控制功率器件，實現了車載充電系統的高壓充電OBC和低壓充電DC/DC功能，并利用SR5E1MCU的高主頻和強大的外設功能，滿足了第三代功率器件（如SiCMOSFET）的高頻開關需求，成功實現了三相六開關PFC+ CLLC的OBC和移相全橋的DC/DC設計。通過該方案制作的樣機，測得的OBC滿載效率為 95.8% （電池電壓800V、輸出功率16kW），峰值效率為 96.5% （輸出功率8kW）；DC/DC的峰值效率為 95.87% （輸入電壓500V）?；赟R5E1MCU的精確死區控制優化了系統效率，在800V時，相較于未優化方案，系統效率提升了0.46個百分點。

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（編輯 楊景）