什么是快速直流充電器中使用的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率器件？

 

在上一節(jié)中，已經(jīng)介紹了快速DCEV充電基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)配置，以及未來(lái)可能的典型基礎(chǔ)設(shè)施。下面介紹當(dāng)今快速DCEV充電器中使用的典型電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。

 

有源整流三相PFC升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

前端三相PFC升壓級(jí)可以用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而且?guī)追N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足相同的電力要求。在“解密三相PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”中詳細(xì)介紹和討論了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的利弊和操作。圖11展示了快速直流電動(dòng)車充電應(yīng)用中常見的PFC架構(gòu)。它們之間的一個(gè)首要區(qū)別是雙向性。T-中性點(diǎn)鉗制（T-NPC）和I-NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)用開關(guān)取代一些二極管而適合雙向操作。6個(gè)開關(guān)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙向的perse。

 

圖11. 用于快速直流電動(dòng)車充電的典型三相功率因素校正（PFC）升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

T-NPC（左上）、6開關(guān)（右上）和I-NPC（底部）

 

另一個(gè)影響設(shè)計(jì)和功率器件額定電壓的重要因素是架構(gòu)中的級(jí)數(shù)。6個(gè)開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)2級(jí)架構(gòu)，通常用900 V或1200 V的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速直流電動(dòng)車充電器。這里SiC MOSFET-模塊具有低RDS on（6-40 mQ）區(qū)域的首選解決方案，特別是對(duì)于每塊15 kW以上的高功率范圍。這種集成表現(xiàn)出比分立解決方案更優(yōu)越的功率性能，提高了能效，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減小了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，并最大化可靠性。

 

T-中性點(diǎn)箝位（T-NPC）是一種3級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用1200 V整流器（以雙向形式用開關(guān)代替），中性點(diǎn)路徑上有650 V開關(guān)背對(duì)背。I-NPC是一個(gè)3級(jí)架構(gòu)，可能完全用650  V開關(guān)實(shí)現(xiàn)。650  V SiC MOSFET或IGBT與共包二極管代表了這些3級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)秀替代方案。

 

圖12. F1-2 PACK SiC MOSFET模塊半橋。1200 V,10 mQ

 

DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

在研究DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)時(shí)，主要采用了三種隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器、全橋移相雙有源橋（DAB）零電壓過(guò)渡（ZVT）轉(zhuǎn)換器和全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器（圖13、14和15）。

 

全橋LLC諧振

 

LLC轉(zhuǎn)換器在初級(jí)端實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS），同時(shí)在諧振頻率及以下——在次級(jí)端實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)（ZCS），從而在諧振頻率附近產(chǎn)生了非常高的峰值效率。作為一個(gè)純粹的頻率調(diào)制（FM）系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離諧振頻率時(shí)，這可能是需要寬輸出電壓操作時(shí)的情況，LLC的能效就會(huì)下降。

 

然而，先進(jìn)的混合調(diào)制方案使今天的脈沖調(diào)制（PWM）與調(diào)頻相結(jié)合，限制了最大頻率失控和高損耗。不過(guò)，這些混合實(shí)現(xiàn)方式還是給已經(jīng)有時(shí)很麻煩的LLC控制算法增加了復(fù)雜性。

 

此外，并聯(lián)的LLCs轉(zhuǎn)換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)有可能在相對(duì)較小的電壓范圍內(nèi)工作時(shí)，和/或當(dāng)具備實(shí)施結(jié)合調(diào)頻和PWM的先進(jìn)控制策略的開發(fā)技能時(shí)，LLC是一種難以超越的設(shè)計(jì)。它不僅可以提供最高的能效，而且從各個(gè)角度看都是一個(gè)非常全面的解決方案。LLC可以作為CLLC以雙向形式實(shí)現(xiàn)，這是另一種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 

圖13. 全橋LLC轉(zhuǎn)換器

 

帶有次級(jí)同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的移相全橋DAB也非常典型。這些都是用PWM工作，一般來(lái)說(shuō)，需要比LLC轉(zhuǎn)換器更簡(jiǎn)單的控制。DAB可以被認(rèn)為是傳統(tǒng)的全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器的演變，但漏電感器在初級(jí)端，這簡(jiǎn)化了繁瑣的次級(jí)端整流，減少了二次開關(guān)或二極管的必要額定擊穿電壓。由于實(shí)現(xiàn)了ZVT，這些轉(zhuǎn)換器可以在很寬的輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的高能效。這對(duì)于支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來(lái)說(shuō)是個(gè)方便的因素。

 

DAB的PWM工作帶來(lái)了好處。首先，它傾向于使轉(zhuǎn)換器的電磁干擾（EMI）頻譜比調(diào)頻系統(tǒng)中的更緊密。此外，用固定的開關(guān)頻率，系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)的行為更容易解決。通過(guò)同步整流，DAB是一種雙向的原生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是快速電動(dòng)汽車充電器的最通用的替代方案和合適的解決方案之一。

 

圖14.全橋移相式DAB ZVT轉(zhuǎn)換器

 

對(duì)于單向操作，傳統(tǒng)的全橋移相ZVT（圖15）仍然是一個(gè)可用的選擇，但滲透率越來(lái)越低。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作與DAB類似，但位于次級(jí)端的電感器在整流中帶來(lái)一個(gè)顯著的差異。電感器在二極管上設(shè)置了高的反向電壓，這將與占空比成正比和反比，因此，根據(jù)工作條件，二極管上的反向電壓可能超過(guò)輸出電壓的兩到三倍。

 

這種情況在高輸出電壓的系統(tǒng)中（如電動(dòng)車充電器）可能具有挑戰(zhàn)性，通常多個(gè)次級(jí)繞組（具有較低的輸出電壓）被串聯(lián)起來(lái)。這樣的配置并不那么方便，特別是如果考慮到功率和電壓的額定值，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)含單一輸出將提供相同或更好的性能。

 

SiC-模塊代表了上述DC-DC電源轉(zhuǎn)換級(jí)中全橋的一個(gè)非常合適和常見的解決方案，起價(jià)為15 kW。更高的頻率有助于縮小變壓器和電感器的尺寸，從而縮小整個(gè)解決方案的外形尺寸。 

 

圖15. 全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器

 

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變體

 

所討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在多種變體，帶來(lái)額外的優(yōu)勢(shì)和折沖。圖16顯示了用于快速電動(dòng)車充電的全橋LLC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)常見替代方案。在移相中，開關(guān)在輸入電壓的一半以下，并使用600 V和650 V的斷電電壓器件。650 V SiC MOSFET、650 V SuperFET 3快速恢復(fù)（FR）MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助于解決不同的系統(tǒng)要求。

 

同樣，用于出極端的二極管和整流器需要650 V的阻斷電壓等級(jí)。這些3級(jí)架構(gòu)允許單極開關(guān)，這有助于減少峰值電流和電流紋波，這將導(dǎo)致用更小的變壓器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)之一是，與具有較少電源開關(guān)的2級(jí)版本相比，控制算法需要額外的復(fù)雜程度。雙有源橋以及雙有源橋可以很容易地在初級(jí)端和次級(jí)端并聯(lián)或堆疊，以最配合快速電動(dòng)汽車充電器的電流和電壓需求。

 

圖16. 3級(jí)全橋LLC

 

這種變體在初級(jí)端堆疊（只有一半的輸入電壓應(yīng)用于每個(gè)變壓器），在次級(jí)端并聯(lián)。

 

次級(jí)端整流

 

關(guān)于次級(jí)端整流，如圖15所示，可以有多種解決方案，而且都可以使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于400 V和800 V的電池水平和全橋整流，650 V和1200 V的SiC肖特基二極管通常是獨(dú)特的性價(jià)比解決方案。

 

由于其零反向恢復(fù)特性，與硅基替代品相比，這些器件大大增強(qiáng)了整流性能和能效，大大降低了損耗和整流級(jí)的復(fù)雜性。硅基二極管，如Hyperfast、UltraFast和Stealth，可以作為成本非常有限的項(xiàng)目的替代品，但要犧牲性能和復(fù)雜性。采用中心抽頭整流的解決方案（圖15）對(duì)于高電壓輸出整流級(jí)來(lái)說(shuō)并不方便。

 

與全橋整流不同的是，在全橋整流中，二極管的標(biāo)準(zhǔn)反向電壓等于輸出電壓，而在中心抽頭配置中，二極管要承受這個(gè)數(shù)值的兩倍。常規(guī)的全橋移相轉(zhuǎn)換器（電感在次級(jí)端），正如所解釋的那樣，在兩種整流方法（全橋或中心抽頭整流）中都需要更高的擊穿電壓二極管。為了克服常規(guī)全橋移相轉(zhuǎn)換器對(duì)1200 V或1700 V額定二極管的需求，幾個(gè)輸出將被串聯(lián)起來(lái)。

 

其他重要的設(shè)計(jì)考慮因素

 

除了電源轉(zhuǎn)換器中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)器件外，在開發(fā)快速電動(dòng)車充電器時(shí)，還有其他重要領(lǐng)域需要考慮，尤其是在使用SiC開關(guān)在高頻率下工作時(shí)。

 

門極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

 

在所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然是快速直流電動(dòng)車充電器的一個(gè)重要方面，對(duì)系統(tǒng)性能有直接影響。

 

隔離

 

在隔離的主題下，首先要考慮的問(wèn)題之一。鑒于快速直流電動(dòng)車充電器所討論的高功率和高電壓，電隔離對(duì)于高端驅(qū)動(dòng)器是必須的。對(duì)于低端同類產(chǎn)品，盡管從安全角度看并非總是嚴(yán)格必要的，但常見的做法是使用與高端相同的門極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電路。

 

這種方法帶來(lái)了多種好處，包括解決方案的實(shí)施和系統(tǒng)的穩(wěn)健性。一方面，它有利于同一半橋上的開關(guān)器件之間的延遲匹配。這簡(jiǎn)化了PWM序列和死區(qū)時(shí)間的控制和實(shí)施，以防止擊穿事件。此外，隔離驅(qū)動(dòng)器通過(guò)最大限度地提高其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的堅(jiān)固性，這在使用快速開關(guān)寬禁帶技術(shù)在高dV/dt 驅(qū)動(dòng)時(shí)特別重要，如SiC。

 

這里還需要指出的是，采用開爾文連接的電源開關(guān)需要一個(gè)浮動(dòng)或電隔離的驅(qū)動(dòng)器（在高端和低端）來(lái)獲得配置的好處，因?yàn)樗鼘⒋蟠鬁p少損耗和提高傳播時(shí)間。

 

片上保護(hù)和功能

 

門極驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是片上集成功能（除電隔離外）和保護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)的要求和開關(guān)的類型，可能需要過(guò)電流保護(hù)（“DESAT”）—— IGBT和SiC MOSFET的典型保護(hù)——米勒鉗制（避免錯(cuò)誤開啟）。包括這些或其他必要的封裝功能可以實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)，并最大限度地減少布局中的寄生電感，這是使用SiC的高開關(guān)頻率系統(tǒng)的基本要求。

 

在數(shù)字控制的系統(tǒng)中，內(nèi)置保護(hù)也非常方便，可以提供板載保護(hù)。在系統(tǒng)能效方面，門極驅(qū)動(dòng)器的接受端和源端能力對(duì)于通過(guò)快速充電和放電寄生門極電容實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。在使用SiC技術(shù)時(shí)，這在高功率應(yīng)用中特別重要，因?yàn)檫@比基于Si的IGBT或SJ MOSFET實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換。

 

電隔離門極驅(qū)動(dòng)器系列具有3.5 kV和5 kV額定值的NCD57XXX和NCD51XXX為開發(fā)快速電動(dòng)車充電器帶來(lái)設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)可靠性，在片上集成了多種功能和保護(hù)措施，并顯示出高達(dá)9 A的驅(qū)動(dòng)電流能力。該產(chǎn)品組合包括單通道驅(qū)動(dòng)器，如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7，以及雙通道驅(qū)動(dòng)器，如NCP51561、NCP51563和NCD57252/256，以滿足所有使用情況。

 

圖17. 電隔離的單通道和雙通道門驅(qū)動(dòng)器框圖

 

驅(qū)動(dòng)器電源

 

與門極驅(qū)動(dòng)器相鄰的一個(gè)話題是驅(qū)動(dòng)它們所需的隔離電源。SiC開關(guān)的最佳性能是通過(guò)+20 V – 5 V的偏置電壓實(shí)現(xiàn)的，而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的細(xì)節(jié)可以在“Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驅(qū)動(dòng)建議”。

 

同樣，對(duì)于門極驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，電源需要緊湊和堅(jiān)固，確保在所有工作條件下有穩(wěn)定的電壓軌。圍繞NCV3064開關(guān)穩(wěn)壓器的電源，如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC有助于滿足這些需求。

 

保護(hù)措施

 

快速直流電動(dòng)車充電的另一個(gè)重要考慮因素是系統(tǒng)中必要的安全保護(hù)，尤其是法規(guī)所規(guī)定的安全保護(hù)。強(qiáng)制性保護(hù)是針對(duì)車外的接地故障電流（GFC），以防止對(duì)人體產(chǎn)生危險(xiǎn)的電擊風(fēng)險(xiǎn)。

 

特別是，充電電路中斷裝置（CCID）是專門為EV充電而開發(fā)的，IEC61851-1（前面討論過(guò)）和UL 2231-1/2標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)其在歐洲/亞洲和北美的實(shí)施進(jìn)行了規(guī)范。FAN4147和NCS37014 GFC中斷器滿足這些法規(guī)的要求，為開發(fā)符合安全要求的EVSE提供了現(xiàn)成的解決方案。

 

輔助電源

 

輔助電源單元（PSU）在電力系統(tǒng)中無(wú)處不在，快速直流電動(dòng)車充電也不例外。隔離反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是方便和可靠的選擇，可以提供低壓系統(tǒng)所需的典型的10-40 W。

 

特別是，對(duì)于快速直流電動(dòng)車充電，直流母線的電壓水平是影響整個(gè)系統(tǒng)的主要因素之一?，F(xiàn)在的趨勢(shì)是提高這些水平，以減少特定功率水平的峰值電流并提高能效。

 

如今，直流母線電壓水平高達(dá)800 V（甚至更高）是很常見的，并不是所有的傳統(tǒng)方案都適合電動(dòng)汽車充電。在這里，圍繞NCP1362準(zhǔn)諧振谷初級(jí)端開關(guān)或NCP1252和NCP12700次級(jí)端控制器開發(fā)的PSU可以幫助解決這些需求。在開關(guān)方面，具有高RDS on（160 mOhms）的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用，因?yàn)樗鼈儙?lái)了出色的性價(jià)比，是900 V DC系統(tǒng)的最佳方案。

 

歸結(jié)一切

 

我們已經(jīng)看到了電動(dòng)車市場(chǎng)的增長(zhǎng)是如何加速的，以及為什么隨著更多的電動(dòng)車上路，快速直流充電需要（也將）保持吸引力。

 

在過(guò)去的大多月份里，指向這一方向的新聞如雨后春筍般涌現(xiàn)，其中一個(gè)是美國(guó)總統(tǒng)宣布的到2030年建立50萬(wàn)個(gè)直流充電樁網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃。其最終目標(biāo)是推動(dòng)電動(dòng)車成為主流，擺脫以內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的交通工具，并應(yīng)對(duì)氣候變化。

 

快速和超快速的直流充電樁是電動(dòng)汽車的一個(gè)關(guān)鍵支柱，也是完成生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)不可或缺的元素，在家庭中可以使用較低功率的交流充電替代品，因?yàn)榭梢栽谳^長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)充電。作為一個(gè)新生的、快速發(fā)展的市場(chǎng)，快速直流電動(dòng)車充電器的要求和使用案例在不斷升級(jí)，留下了一個(gè)需要各種解決方案和不同優(yōu)化的空間。

 

不過(guò)，所有這些的共同點(diǎn)將是越來(lái)越高的功率、電壓水平和能效。此外，隨著此類基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模推出，競(jìng)爭(zhēng)格局變得更加嚴(yán)酷，安裝的投資回報(bào)率也將需最大化，預(yù)計(jì)對(duì)尺寸、重量、成本和可靠性的限制也會(huì)加強(qiáng)。

 

現(xiàn)在，SiC功率技術(shù)正在成熟，其價(jià)格正在達(dá)到有吸引力的水平，這為先進(jìn)的SiC功率集成模塊技術(shù)的發(fā)展留下了空間。更高的能效和優(yōu)越的熱性能，使充電系統(tǒng)更輕、更小、成本更優(yōu)化，可提供高達(dá)400 kW的功率。除了SiC技術(shù)和功率模塊的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動(dòng)車的基石。

 

安森美半導(dǎo)體不僅是SiC技術(shù)和功率集成模塊的一個(gè)領(lǐng)先供應(yīng)商，而且在質(zhì)量上與眾不同。作為極少數(shù)擁有SiC完整供應(yīng)鏈的供應(yīng)商之一，安森美半導(dǎo)體確保我們的SiC分立及模塊產(chǎn)品的最高質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，以及卓越的運(yùn)營(yíng)和靈活性。

 

 

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