【導(dǎo)讀】開發(fā)中的電動汽車 (EV) 直流快速充電器現(xiàn)在必須滿足比已安裝的充電器更嚴格的規(guī)格。這一高要求源于兩個市場壓力：首先，為最新電動汽車中嵌入的更高容量電池提供更快的充電速度。其次，需要實現(xiàn)雙向功率流，以支持新的車輛到電網(wǎng)（V2G）和車輛到建筑物（V2B）應(yīng)用，隨著更多能源由風(fēng)能和太陽能等波動能源產(chǎn)生，該技術(shù)將有助于平衡電網(wǎng)。
開發(fā)中的電動汽車 (EV) 直流快速充電器現(xiàn)在必須滿足比已安裝的充電器更嚴格的規(guī)格。這一高要求源于兩個市場壓力：首先，為最新電動汽車中嵌入的更高容量電池提供更快的充電速度。其次，需要實現(xiàn)雙向功率流，以支持新的車輛到電網(wǎng)（V2G）和車輛到建筑物（V2B）應(yīng)用，隨著更多能源由風(fēng)能和太陽能等波動能源產(chǎn)生，該技術(shù)將有助于平衡電網(wǎng)。
充電器制造商可以通過將直流快速充電器作為模塊化構(gòu)建塊來實現(xiàn)其設(shè)計的靈活性：多個模塊可以并聯(lián)連接，將功率輸出擴大到高達 300 kW。這意味著當(dāng)多個模塊堆疊在充電器外殼中時，模塊的功率密度成為關(guān)鍵問題，熱管理也是如此。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，電動汽車充電器制造商已轉(zhuǎn)向碳化硅 (SiC) 功率開關(guān)，它的開關(guān)速度比同等硅 MOSFET 或 IGBT 更快，且開關(guān)損耗低得多：因此可以使用更小的磁性元件，從而提高系統(tǒng)功率密度。SiC 技術(shù)還為高密度電源設(shè)計的熱問題提供了解決方案，因為它比硅器件具有更高的效率，能承受更高的工作溫度，從而可以使用更小的散熱器，并降低系統(tǒng)組件的熱應(yīng)力。
目前，具備向充電器制造商批量供應(yīng) SiC 器件的技術(shù)能力和制造能力的半導(dǎo)體制造商寥寥無幾：領(lǐng)先者包括英飛凌、安森美和意法半導(dǎo)體。 因此，許多電動汽車充電器設(shè)計人員可尋求這些公司的參考設(shè)計板，以評估各種 SiC 電源開關(guān)的性能，并評估它們對其應(yīng)用的適用性。
這些參考設(shè)計在 PFC 級和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級提供了一些最適合雙向直流快速充電器拓撲的方案。了解這些拓撲及其優(yōu)點和缺點將有助于設(shè)計人員找出最適合其應(yīng)用要求的拓撲。讓我們先看看電動汽車充電器的有源前端 PFC 級的拓撲選擇。
直流充電器模塊的有源前端 PFC 級
AC-DC級將 380 V 至 415 V AC范圍內(nèi)的正常三相輸入轉(zhuǎn)換成約 800 V 的穩(wěn)定直流母線電壓。本文中討論的所有拓撲均適用于雙向系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)換也會以相反的方式進行，即從DC到AC。
SiC 器件特別適合基于半橋配置的雙向轉(zhuǎn)換器。通常雙向系統(tǒng)會執(zhí)行重復(fù)的硬換向：在這種情況下，硅功率開關(guān)在器件體二極管處的反向恢復(fù)時間較長，將導(dǎo)致高功耗和低效率，以及更高的熱應(yīng)力和更低的系統(tǒng)可靠性。因此，雙向轉(zhuǎn)換器需要較短甚至為零的反向恢復(fù)時間，這是 SiC MOSFET 的一個特性，如圖 1 所示。
圖 1：低體二極管反向恢復(fù)時間對于具有半橋配置并面臨重復(fù)硬換向的雙向轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要
三相雙向直流充電器的有源前端 PFC 級有以下三種拓撲結(jié)構(gòu)值得考慮：
· 兩級PFC
· 三級中性點鉗位（NPC）/有源NPC（ANPC）
· 三級T型NPC
兩級 PFC 拓撲
兩級PFC拓撲的六開關(guān)升壓型整流器是一個非常簡單、易于控制的電路，如圖2所示。它利用雙向功率流，以合理的效率實現(xiàn)高功率因數(shù)。與三級拓撲相比，它具有更少的元件數(shù)量和更簡單的 PCB 布局。
圖 2：兩級 PFC 拓撲
另一方面，它需要具有高額定電壓的開關(guān)來阻斷整個直流母線電壓。例如，在 800 V 直流應(yīng)用中，需要具有 1,200 V 阻斷能力的 SiC MOSFET。
這種拓撲的另一個缺點是濾波電感器體積龐大，需要它來最大限度地減少輸入電流的總諧波失真 (THD)。三級拓撲不需要太大的電感，可以降低功率密度。另一個需要考慮的因素是高峰值電壓應(yīng)力，它會影響半導(dǎo)體和其他無源器件的使用壽命。
最后，該轉(zhuǎn)換器的 EMI 性能遠低于下文所述的多級 PFC 拓撲。
三級 NPC/ANPC PFC 拓撲
在三級NPC/ANPC拓撲中，每個開關(guān)只需能夠阻斷一半的總線電壓，因此可以使用額定電壓較低的MOSFET，器件上的電壓應(yīng)力要低得多，如圖3所示。這意味著該拓撲可以輕松跨多個平臺進行擴展，與SiC、GaN和硅功率開關(guān)一起使用，以滿足具有不同功率、成本和效率要求的應(yīng)用的需求。
圖 3：三級 NPC PFC 拓撲
在 800 V 應(yīng)用中，可以使用額定值 600 V 的 MOSFET。600 V MOSFET 不僅提供比 1,200 V MOSFET 更低的開關(guān)損耗，還可以支持更快的開關(guān)頻率。
在 NPC 拓撲中，輸出電流的紋波較低，輸出電壓瞬態(tài)降低 50%。這降低了對濾波和隔離的要求，并可以使用更小的濾波電感器。由于調(diào)節(jié)電流波形中的 THD 所需的電感較少，因此該設(shè)計可以實現(xiàn)更高的功率密度。這種多級轉(zhuǎn)換器拓撲的輸出電壓也受到非常低的干擾，從而最大限度地減少了器件上的 dv/dt 應(yīng)力，并提高了 EMI 性能。
雖然 NPC 拓撲在開關(guān)頻率高于 50 kHz 時比兩級 PFC 提供更低的開關(guān)損耗和更高的效率，但它確實需要更多的開關(guān)，并且每個開關(guān)都需要自己的柵極驅(qū)動電路。這意味著控制更加復(fù)雜，BoM 成本更高。
此外，這種拓撲結(jié)構(gòu)同時使用有源半導(dǎo)體開關(guān)和二極管，導(dǎo)致整個功率級損耗的不對稱分布，可能使熱管理變得困難。一些設(shè)計人員更喜歡更對稱的損耗分布，因此將 NPC 拓撲中的二極管替換為 ANPC 轉(zhuǎn)換器中的有源開關(guān)，如圖 4 所示。
圖 4：三級 ANPC PFC 拓撲
在 NPC 和 ANPC 拓撲中，所有開關(guān)的阻斷電壓降低意味著可以使用高效氮化鎵 (GaN) 開關(guān)來提高效率和功率密度，這一點非常有用。
三級T型NPC PFC拓撲
在三級 T 型 NPC PFC 轉(zhuǎn)換器中，傳統(tǒng)的兩級電壓源轉(zhuǎn)換器拓撲通過有源雙向開關(guān)擴展到直流母線中點，如圖 5 所示。對于 800 V 直流母線電壓，1,200 V IGBT/二極管通常在每相的高邊和低邊工作，因為必須阻斷全電壓。但在T型配置中，到直流母線中點的雙向開關(guān)僅需要阻斷一半電壓。這意味著可以使用較低電壓的器件來實現(xiàn)，例如兩個包含反并聯(lián)二極管的 600 V IGBT。
圖5：三級T型NPC PFC拓撲
由于阻斷電壓降低，中間開關(guān)產(chǎn)生非常低的開關(guān)損耗和可接受的傳導(dǎo)損耗。與三級 NPC 拓撲不同，T 型 NPC 拓撲不串聯(lián)必須阻斷整個直流母線電壓的器件。
在 NPC 拓撲中，通常會避免直接從正直流母線電壓到負直流母線電壓的開關(guān)轉(zhuǎn)換，反之亦然，因為當(dāng)兩個串聯(lián)的 FET 同時關(guān)斷時，它們可能會導(dǎo)致電壓分配不均勻而暫時被阻斷。這種不良影響不會發(fā)生在 T 型拓撲中。因此，沒有必要實施阻止此類轉(zhuǎn)換的低級路徑，或者提供串聯(lián) IGBT 上的瞬態(tài)電壓平衡。
使用單個 1,200 V 器件來阻斷全部直流母線電壓的另一個好處是減少傳導(dǎo)損耗。每當(dāng)輸出連接到正極或負極時，電路僅承受一個器件的正向壓降；在NPC拓撲中，兩個器件總是串聯(lián)的。這大大降低了傳導(dǎo)損耗，使得 T 型拓撲在低頻開關(guān)應(yīng)用中很有價值。
總體而言，傳導(dǎo)損耗明顯低于 NPC 拓撲，但由于器件會阻斷全部直流母線電壓，因此開關(guān)損耗較高。因此，T 型整流器最適合開關(guān)頻率最高 50 kHz 的應(yīng)用，而 NPC 拓撲在高于 50 kHz 的頻率下表現(xiàn)更好。
表 1 顯示了上述三種 PFC 級拓撲的優(yōu)缺點的比較。
表 1：PFC 拓撲特性總結(jié)
直流充電器模塊的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級
DC-DC級是電流隔離轉(zhuǎn)換器，它將輸入的 800 V 直流母線電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流輸出電壓，用于為電動汽車電池充電，繞過車輛的車載充電器，該充電器僅在連接到交流充電器時使用 。
雙向 DC-DC 級的拓撲可以通過以下兩種方式之一實現(xiàn)：
· 雙有源橋
· CLLC 模式的雙有源橋
雙有源橋拓撲
雙有源橋 (DAB) 轉(zhuǎn)換器由一個在初級側(cè)和次級側(cè)均帶有源開關(guān)的全橋組成，通過高頻變壓器連接，如圖 6 所示。由于其中一個橋固有的滯后電流，電流一次對一個橋的開關(guān)的輸出電容進行放電。當(dāng)次級側(cè)開關(guān)放電時，初級側(cè)的一些開關(guān)實現(xiàn)零電壓開關(guān)導(dǎo)通。還可以在開關(guān)之間使用無損電容緩沖器，以減少關(guān)斷損耗。
圖 6：雙有源橋 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓撲
這種轉(zhuǎn)換器拓撲的主要優(yōu)點是：
· 雙向能力，通過控制兩個橋之間的相位角來實現(xiàn)
· 模塊化，使其能夠擴展到更高的功率級別
在單相移調(diào)制中，DAB 拓撲結(jié)構(gòu)易于控制。 然而，對于擴展的雙相移或三相移調(diào)制，控制方案變得復(fù)雜。這種拓撲可用于通過單相移調(diào)制來覆蓋較寬的電池電壓范圍，但變壓器中的循環(huán)電流會上升到較高水平，從而大大降低效率。
然而，利用三相移調(diào)制等先進調(diào)制方案，轉(zhuǎn)換器理論上可以在整個工作范圍內(nèi)執(zhí)行零電壓開關(guān)。在此拓撲中，輸出功率與變壓器 KVA 額定值的比率較高。處理紋波電流所需的輸出電容也很低。
總體而言，該轉(zhuǎn)換器非常適合功率密度、成本、重量、隔離和可靠性為關(guān)鍵因素的應(yīng)用，因為它具有一系列有吸引力的特性：
· 元件數(shù)量相對較少
· 軟開關(guān)換相
· 低成本
· 高效率
但值得注意的是，DAB 轉(zhuǎn)換器通常需要額外的勻場電感器來支持零電壓開關(guān)：這會增加電路尺寸并降低功率密度。
CLLC 模式的 DAB 拓撲
CLLC 電路配置可執(zhí)行經(jīng)典 LLC 的所有功能，但具有額外的優(yōu)勢，即在次級側(cè)使用有源開關(guān)可實現(xiàn)雙向功率傳輸，如圖 7 所示。
圖 7：CLLC 模式的 DAB 拓撲
該轉(zhuǎn)換器以零電壓/零電流開關(guān)模式運行，從而實現(xiàn)高效率。當(dāng)總線電壓有 10% 的變化空間時，該轉(zhuǎn)換器可以適應(yīng)廣泛變化的電池電壓，同時保持良好的效率。然而，在總線電壓固定的情況下，該拓撲的工作范圍非常有限。
初級側(cè)和次級側(cè)的電容器消除了變壓器鐵芯飽和的風(fēng)險。
CLLC 模式下的 DAB 轉(zhuǎn)換器實際上最適合AC-DC車載充電器。不過，它的使用功率水平高于車載充電器的功率水平，最高可達 15 kW。但擴展到更高功率水平和并聯(lián)可能很困難，因為它需要高度對稱的結(jié)構(gòu)和多個模塊的同步，這是一項艱巨的任務(wù)。
DAB 拓撲和 CLLC 模式的 DAB 拓撲均常用于 800 V 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。電壓轉(zhuǎn)換比控制轉(zhuǎn)換器端子的連接，這會影響開關(guān)所需的擊穿電壓額定值：高壓轉(zhuǎn)換器可以串聯(lián)，或在一個端子上串聯(lián)，而另一個端子保持并聯(lián)。這意味著拓撲連接有四種可能的配置。
CLLC 模式的 DAB 拓撲的兩個示例如下：圖 8 顯示了串聯(lián)輸入配置，圖 9 顯示了 800 V 總線電壓的并聯(lián)輸入配置，輸出電壓范圍為 200 V 至 1 kV。
圖 8：具有串聯(lián)輸入的 CLLC 模式的 DAB 轉(zhuǎn)換器
圖 9：具有并聯(lián)輸入的 CLLC 模式的 DAB 轉(zhuǎn)換器
串聯(lián)輸入全橋 CLLC 的優(yōu)點是在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)具有較窄的諧振頻率范圍，從而降低了開關(guān)損耗；這里可以使用 650 V 器件。但這需要對直流總線側(cè)串聯(lián)的直流總線電容器電壓進行更復(fù)雜的控制。此外，為了實現(xiàn)給定的效率，需要比使用 1,200 V 器件的單個全橋具有更低導(dǎo)通電阻的器件。
CLLC模式的并行輸入全橋DAB轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是，對于給定的效率，電路可以使用具有更高導(dǎo)通電阻的器件，同時控制方案更容易。需要寬諧振頻率范圍來支持寬輸出電壓范圍。
兩種 DC-DC 級拓撲的優(yōu)點和缺點如表 2 所示。
表 2：兩種 DC-DC 級拓撲的特性總結(jié)
參考設(shè)計加速新型直流充電器電路的實施
領(lǐng)先的 SiC MOSFET 制造商提供的參考設(shè)計為新型高功率直流充電器設(shè)計提供了部分或全部藍圖。
意法半導(dǎo)體的STDES-PFCBIDIR 15 kW 雙向 PFC 級轉(zhuǎn)換器采用 T 型 NPC 拓撲，如圖 10 所示。它采用數(shù)字控制，在 400 V 交流電壓和 800 V 直流電壓之間進行轉(zhuǎn)換。效率幾乎達到99%。意法半導(dǎo)體優(yōu)化了無源元件的尺寸和成本，并且該轉(zhuǎn)換器提供高功率密度。
圖 10：意法半導(dǎo)體的 STDES-PFCBIDIR PFC 參考設(shè)計以其高效率和功率密度而著稱
STDES-PFCBIDIR 與意法半導(dǎo)體的 25 kW STDES-DABBIDIR 相結(jié)合，為雙向電動汽車充電器提供了完整的解決方案。STDES-DABBIDIR 使用 ACEPACK 2 封裝的 SiC MOSFET 功率模塊以 100 kHz 實現(xiàn) DAB 拓撲開關(guān)，如圖 11 所示。數(shù)字控制由 STM32G474RE MCU 執(zhí)行。軟開關(guān)操作由自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)管理，該技術(shù)響應(yīng)負載和電壓的變化
圖 11：STDES-DABBIDIR DC-DC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計板的額定功率為 25 kW
英飛凌 REF-DAB11KIZSICSYS 是一款雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級，采用 CLLC 模式的 DAB 拓撲，如圖 12 所示。它在 800 V 電壓下提供高達 11 kW 的輸出，效率高于 97%。
圖 12：英飛凌 REF-DAB11KIZSICSYS 參考設(shè)計板的額定輸出功率為 11 kW
該板基于由英飛凌 1EDC20I12AH 柵極驅(qū)動器驅(qū)動的 IMZ120R030M1H CoolSiC? MOSFET，以低成本結(jié)合了高功率密度和可靠性
英飛凌還開發(fā)了完整的DC-DC充電器參考設(shè)計 REF-EV50KW2SICKIT，將于 2023 年發(fā)布。這款 50 kW 直流充電器子單元旨在用作堆疊式高功率充電系統(tǒng)中的模塊，如圖 13所示。
圖 13a、13b：英飛凌的 REF-EV50KW2SICKIT 實現(xiàn)了完整的 DC-DC 快速充電器
發(fā)布后，英飛凌將提供可裝入 19 英寸 4U 機箱的完全組裝板。還將提供電源控制卡以及帶有 GUI 的軟件。
另一種完整的 DC-DC 充電器設(shè)計由安森美提供。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 是一款 25 kW 充電器，它實現(xiàn)了兩級 PFC 和 DAB 拓撲，如圖 14 所示。
圖 14：安森美的 SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 參考設(shè)計是一款 25 kW DC-DC 充電器
SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 采用多個 NXH010P120MNF1 半橋 SiC 模塊，其擊穿電壓額定值為 1,200 V。這些 SiC 模塊以其 10 mΩ 的極低導(dǎo)通電阻和低寄生電感而著稱，可大幅降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。轉(zhuǎn)換操作由基于 Zynq?-7000 SoC FPGA 的強大通用控制器板控制。輸出電壓范圍為 200 V 至 1,000 V，效率高達 96%。
多個 SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 板可以堆疊在一個機柜中，以提供應(yīng)用所需的輸出功率。
小結(jié)
雙向電動汽車快速充電器的 PFC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級拓撲的選擇使設(shè)計人員可以優(yōu)化尺寸、成本、效率、輸出功率、元件數(shù)量，且易于控制。
領(lǐng)先 SiC 器件制造商提供的高性能參考設(shè)計可幫助設(shè)計人員開始應(yīng)用其中一些拓撲結(jié)構(gòu)。
（作者：Riccardo Collura）
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