在本系列文章的部分中，[1]我們介紹了電動(dòng)車快速充電器的主要系統(tǒng)要求，概述了這種充電器開發(fā)過程的關(guān)鍵級(jí)，并了解到安森美(onsemi)的應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)所述的充電器?，F(xiàn)在，在第二部分中，我們將更深入研究設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并介紹更多細(xì)節(jié)。特別是，我們將回顧可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探討其優(yōu)點(diǎn)和權(quán)衡，并了解系統(tǒng)的骨干，包括一個(gè)半橋SiC MOSFET模塊。

    正如我們所了解的，電動(dòng)車快速充電器通常含一個(gè)三相有源整流前端處理來自電網(wǎng)的AC-DC轉(zhuǎn)換并應(yīng)用功率因數(shù)校正(PFC)，后接一個(gè)DC-DC級(jí)提供隔離并使輸出電壓適應(yīng)電動(dòng)車電池的需要(圖1)。

    圖1. 一個(gè)含多個(gè)功率級(jí)的大功率快速直流充電器(左)。

    電動(dòng)車快速直流充電系統(tǒng)的架構(gòu)(右)。

    鑒于所提出的具挑戰(zhàn)的要求和當(dāng)前的市場趨勢，系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)考慮了幾個(gè)替代方案來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。，結(jié)論是在AC-DC級(jí)利用6開關(guān)有源整流器，在依賴移相調(diào)制的DC-DC級(jí)利用雙有源橋(DAB)。這兩種架構(gòu)都支持雙向功能，并有助受益于1200-V SiC模塊技術(shù)，1200-V SiC模塊技術(shù)是快速和超快直流充電器的基石。接下來，我們將深入研究這兩個(gè)主要的功率級(jí)。

    有源整流升壓級(jí)(PFC)

    3相6開關(guān)有源整流級(jí)有助于實(shí)現(xiàn)0.99的功率因數(shù)和低于7%的總諧波失真，這些都是商用直流充電器系統(tǒng)的常見要求。與T-NPC或I-NPC等3級(jí)PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，它提供了一個(gè)高效的雙向方案，而且元件數(shù)量少?？偟膩碚f，這種兩級(jí)架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的同時(shí)，也帶來了更勝一籌的性價(jià)比。[2]

    直流鏈路將在800 V的高電壓下運(yùn)行，以減少峰值電流，從而化能效和功率密度(圖2)。為此，兩級(jí)架構(gòu)需要1200 V的VBD功率開關(guān)。

    系統(tǒng)的開關(guān)頻率被設(shè)定為70 kHz，以保持二次諧波低于150 kHz，這使傳導(dǎo)輻射得到控制，并促進(jìn)符合EN 55011 A類(歐盟)和FCC Part 15 A類(美國)規(guī)范(適用于連接到交流電網(wǎng)的系統(tǒng))。其中，這些規(guī)范對(duì)注入電網(wǎng)的傳導(dǎo)輻射程度設(shè)定了限值。這種方法簡化了EMI濾波器的復(fù)雜性，使現(xiàn)成的方案成為適用的理想方案，從而達(dá)到本項(xiàng)目的目的。

    圖2. 三相6開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有功率因數(shù)校正(PFC)

    的有源整流級(jí)，也被稱為PFC級(jí)。

    雙有源全橋(DC-DC)

    DAB的DC-DC級(jí)將含兩個(gè)全橋、一個(gè)25千瓦的隔離變壓器和一個(gè)初級(jí)側(cè)的外部漏電感，以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)(圖3)。在單變壓器結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換器有利于雙向運(yùn)行。此外，具有單變壓器的轉(zhuǎn)換器的對(duì)稱性有助于化功率開關(guān)的ZVS的工作范圍，從而實(shí)現(xiàn)高能效。

    這解決了該項(xiàng)目面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，化寬輸出電壓范圍(200 V至1000 V)的能效，使DC-DC的峰值目標(biāo)能效達(dá)98%。該轉(zhuǎn)換器的工作頻率為100 kHz，這是個(gè)折衷方案，以將開關(guān)損耗以及將磁性元件的磁芯和交流損耗保持在合理的水平。

    此外，該系統(tǒng)將在變壓器上運(yùn)行磁通平衡控制，這種技術(shù)省去了在DAB移相結(jié)構(gòu)中與變壓器一起工作所需的笨重的串聯(lián)電容器。在這快速充電器轉(zhuǎn)換器中，給定50 A的高均方根(RMS)工作電流、幾百伏的必要額定電壓和十分之幾微法的估計(jì)電容值，這種電容將在嚴(yán)格的要求下運(yùn)行。以目前的現(xiàn)有技術(shù)，所有這些要求將導(dǎo)致一個(gè)大尺寸的電容器。因此，磁通平衡控制策略有助于減小系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。

    總的來說，DAB DC-DC轉(zhuǎn)換器為電動(dòng)車快速充電器提供了一個(gè)全方位考慮的方案，它正在成為這新的快速充電器市場的一個(gè)典型方案。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以利用移相調(diào)制，在寬輸出電壓范圍提供高功率和能效。此外，開發(fā)人員可充分利用他們對(duì)傳統(tǒng)全橋移相ZVS轉(zhuǎn)換器的專知，因?yàn)檫@兩種系統(tǒng)之間有相似之處。

    另一種方案是CLLC諧振轉(zhuǎn)換器，這是一種頻率調(diào)制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在有限的輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，通常提供的轉(zhuǎn)換器峰值能效。這種轉(zhuǎn)換器是對(duì)LLC的改版，允許雙向工作。然而，控制、優(yōu)化和調(diào)整CLLC以實(shí)現(xiàn)雙向功能，并在較寬的輸出電壓范圍實(shí)現(xiàn)高輸出功率可能會(huì)變得很麻煩，需要結(jié)合頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制。

    圖3. 雙有源橋(DAB)DC-DC級(jí)。該系統(tǒng)含有兩個(gè)

    全橋，中間有一個(gè)隔離變壓器。

    工作電壓和功率模塊

    AC-DC和DC-DC級(jí)之間的直流鏈路將在高壓(800 V)下運(yùn)行，以減少電流值，從而化能效和功率密度。輸出電壓將在200 V至1000 V之間擺動(dòng)(如前所述)。由于轉(zhuǎn)換器是基于兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此需要1200-V的擊穿電壓開關(guān)才能在這樣的電壓水平上運(yùn)行。

    NXH010P120MNF1半橋SiC模塊(圖4)含1200 V、10 mΩ SiC MOSFET，是PFC級(jí)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的骨干。該模塊具有超低RDS(ON)，大大降低了導(dǎo)通損耗，且化的寄生電感降低開關(guān)損耗(與分立替代器件相比)。

標(biāo)簽：