什麼是快速直流充電器中使用的常見拓撲結構和功率器件？

 

在上一節中，已經介紹了快速DCEV充電基礎設施的標準配置，以及未來可能的典型基礎設施。下麵介紹當今快速DCEV充電器中使用的典型電源轉換器拓撲結構和AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。

 

有源整流三相PFC升壓拓撲結構

 

前端三相PFC升壓級可以用多種拓撲結構實現，而且幾種拓撲結構可以滿足相同的電力要求。在“解密三相PFC拓撲結構”中詳細介紹和討論了每種拓撲結構的利弊和操作。圖11展示了快速直流電動車充電應用中常見的PFC架構。它們之間的一個首要區別是雙向性。T-中性點鉗製（T-NPC）和I-NPC拓撲結構通過用開關取代一些二極管而適合雙向操作。6個開關的結構是一個雙向的perse。

 

圖11. 用於快速直流電動車充電的典型三相功率因素校正（PFC）升壓拓撲結構。

T-NPC（左上）、6開關（右上）和I-NPC（底部）

 

另一個影響設計和功率器件額定電壓的重要因素是架構中的級數。6個開關的拓撲結構是一個2級架構
，通常用900 V或1200 V的開關來實現快速直流電動車充電器。這裏SiC MOSFET-模塊具有低RDS on（6-40 mQ）區域的首選解決方案
，特別是對於每塊15 kWyishangdegaogonglvfanwei。zhezhongjichengbiaoxianchubifenlijiejuefangangengyouyuedegonglvxingneng
，tigaolenengxiao，jianhualesheji，jianxiaolezhenggexitongdechicun
，bingzuidahuakekaoxing。

 

T-中性點箝位（T-NPC）是一種3級拓撲結構，使用1200 V整流器（以雙向形式用開關代替），中性點路徑上有650 V開關背對背。I-NPC是一個3級架構，可能完全用650  V開關實現。650  V SiC MOSFET或IGBT與共包二極管代表了這些3級拓撲結構的優秀替代方案。

 

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

 

DC-DC拓撲結構

 

在研究DC-DC轉換級時
，主要采用了三種隔離拓撲結構：全橋LLC諧振轉換器、全橋移相雙有源橋（DAB）零電壓過渡（ZVT）轉換器和全橋移相ZVT轉換器（圖13、14和15）。

 

全橋LLC諧振

 

LLC轉換器在初級端實現了零電壓開關（ZVS），同時在諧振頻率及以下——在次級端實現了零電流開關（ZCS）
，從而在諧振頻率附近產生了非常高的峰值效率。作為一個純粹的頻率調製（FM）係統，當係統工作點偏離諧振頻率時，這可能是需要寬輸出電壓操作時的情況，LLC的能效就會下降。

 

然而，先進的混合調製方案使今天的脈衝調製（PWM）與調頻相結合
，限製了最大頻率失控和高損耗。不過，這些混合實現方式還是給已經有時很麻煩的LLC控製算法增加了複雜性。

 

此外，並聯的LLCs轉換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來說
，當有可能在相對較小的電壓範圍內工作時，和/或當具備實施結合調頻和PWM的先進控製策略的開發技能時，LLC是一種難以超越的設計。它不僅可以提供最高的能效
，而且從各個角度看都是一個非常全麵的解決方案。LLC可以作為CLLC以雙向形式實現，這是另一種複雜的拓撲結構。

 

圖13. 全橋LLC轉換器

 

帶有次級同步整流拓撲結構的移相全橋DAB也非常典型。這些都是用PWM工作
，一般來說，需要比LLC轉換器更簡單的控製。DAB可以被認為是傳統的全橋移相ZVT轉換器的演變，但漏電感器在初級端，這簡化了繁瑣的次級端整流，減少了二次開關或二極管的必要額定擊穿電壓。由於實現了ZVT，這些轉換器可以在很寬的輸出電壓範圍內提供穩定的高能效。這對於支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來說是個方便的因素。

 

DAB的PWM工作帶來了好處。首先，它傾向於使轉換器的電磁幹擾（EMI）頻譜比調頻係統中的更緊密。此外，用固定的開關頻率
，係統在低負載時的行為更容易解決。通過同步整流
，DAB是一種雙向的原生拓撲結構

，是快速電動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轉換器

 

對於單向操作，傳統的全橋移相ZVT（圖15）仍然是一個可用的選擇
，但滲透率越來越低。這種拓撲結構的工作與DAB類lei似si，但dan位wei於yu次ci級ji端duan的de電dian感gan器qi在zai整zheng流liu中zhong帶dai來lai一yi個ge顯xian著zhu的de差cha異yi。電dian感gan器qi在zai二er極ji管guan上shang設she置zhi了le高gao的de反fan向xiang電dian壓ya，這zhe將jiang與yu占zhan空kong比bi成cheng正zheng比bi和he反fan比bi，因yin此ci，根gen據ju工gong作zuo條tiao件jian，二er極ji管guan上shang的de反fan向xiang電dian壓ya可ke能neng超chao過guo輸shu出chu電dian壓ya的de兩liang到dao三san倍bei。

 

這種情況在高輸出電壓的係統中（如電動車充電器）可能具有挑戰性，通常多個次級繞組（具有較低的輸出電壓）被(bei)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)。這(zhe)樣(yang)的(de)配(pei)置(zhi)並(bing)不(bu)那(na)麼(me)方(fang)便(bian)，特(te)別(bie)是(shi)如(ru)果(guo)考(kao)慮(lv)到(dao)功(gong)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)的(de)額(e)定(ding)值(zhi)，不(bu)同(tong)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)含(han)單(dan)一(yi)輸(shu)出(chu)將(jiang)提(ti)供(gong)相(xiang)同(tong)或(huo)更(geng)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)。

 

SiC-模塊代表了上述DC-DC電源轉換級中全橋的一個非常合適和常見的解決方案，起價為15 kW。更高的頻率有助於縮小變壓器和電感器的尺寸，從而縮小整個解決方案的外形尺寸。 

 

圖15. 全橋移相ZVT轉換器

 

拓撲結構的變體

 

所討論的拓撲結構存在多種變體

，帶來額外的優勢和折衝。圖16顯示了用於快速電動車充電的全橋LLC轉換器的一個常見替代方案。在移相中
，開關在輸入電壓的一半以下，並使用600 V和650 V的斷電電壓器件。650 V SiC MOSFET、650 V SuperFET 3快速恢複（FR）MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助於解決不同的係統要求。

 

同樣
，用於出極端的二極管和整流器需要650 V的阻斷電壓等級。這些3jijiagouyunxudanjikaiguan，zheyouzhuyujianshaofengzhidianliuhedianliuwenbo
，zhejiangdaozhiyonggengxiaodebianyaqi。zhezhongtuopujiegoudezhuyaoquedianzhiyishi，yujuyoujiaoshaodianyuankaiguande2級ji版ban本ben相xiang比bi，控kong製zhi算suan法fa需xu要yao額e外wai的de複fu雜za程cheng度du。雙shuang有you源yuan橋qiao以yi及ji雙shuang有you源yuan橋qiao可ke以yi很hen容rong易yi地di在zai初chu級ji端duan和he次ci級ji端duan並bing聯lian或huo堆dui疊die，以yi最zui配pei合he快kuai速su電dian動dong汽qi車che充chong電dian器qi的de電dian流liu和he電dian壓ya需xu求qiu。

 

圖16. 3級全橋LLC

 

這種變體在初級端堆疊（隻有一半的輸入電壓應用於每個變壓器），在次級端並聯。

 

次級端整流

 

關於次級端整流，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撲結構。對於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特的性價比解決方案。

 

由(you)於(yu)其(qi)零(ling)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)特(te)性(xing)
，與(yu)矽(gui)基(ji)替(ti)代(dai)品(pin)相(xiang)比(bi)
，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)大(da)大(da)增(zeng)強(qiang)了(le)整(zheng)流(liu)性(xing)能(neng)和(he)能(neng)效(xiao)

，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)損(sun)耗(hao)和(he)整(zheng)流(liu)級(ji)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)。矽(gui)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)，如(ru)Hyperfast、UltraFast和Stealth，可以作為成本非常有限的項目的替代品
，但要犧牲性能和複雜性。采用中心抽頭整流的解決方案（圖15）對於高電壓輸出整流級來說並不方便。

 

yuquanqiaozhengliubutongdeshi，zaiquanqiaozhengliuzhong，erjiguandebiaozhunfanxiangdianyadengyushuchudianya，erzaizhongxinchoutoupeizhizhong，erjiguanyaochengshouzhegeshuzhideliangbei。changguidequanqiaoyixiangzhuanhuanqi（電感在次級端）
，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。為了克服常規全橋移相轉換器對1200 V或1700 V額定二極管的需求，幾個輸出將被串聯起來。

 

其他重要的設計考慮因素

 

除了電源轉換器中的拓撲結構和開關器件外
，在開發快速電動車充電器時
，還有其他重要領域需要考慮
，尤其是在使用SiC開關在高頻率下工作時。

 

門極驅動係統

 

在所有的拓撲結構中，驅動係統仍然是快速直流電動車充電器的一個重要方麵
，對係統性能有直接影響。

 

隔離

 

zaigelidezhutixia，shouxianyaokaolvdewentizhiyi。jianyukuaisuzhiliudiandongchechongdianqisuotaolundegaogonglvhegaodianya

，diangeliduiyugaoduanqudongqishibixude。duiyudiduantongleichanpin
，jinguanconganquanjiaodukanbingfeizongshiyangebiyaode
，danchangjiandezuofashishiyongyugaoduanxiangtongdemenjiqudongxitonghedianlu。

 

這種方法帶來了多種好處，包括解決方案的實施和係統的穩健性。一方麵，它有利於同一半橋上的開關器件之間的延遲匹配。這簡化了PWM序列和死區時間的控製和實施
，以防止擊穿事件。此外，隔離驅動器通過最大限度地提高其共模瞬態抗擾度（CMTI）來增強係統的堅固性，這在使用快速開關寬禁帶技術在高dV/dt 驅動時特別重要，如SiC。

 

這裏還需要指出的是
，采用開爾文連接的電源開關需要一個浮動或電隔離的驅動器（在高端和低端）來獲得配置的好處
，因為它將大大減少損耗和提高傳播時間。

 

片上保護和功能

 

門極驅動器的另一個關鍵考慮因素是片上集成功能（除電隔離外）和保護。根據係統的要求和開關的類型
，可能需要過電流保護（“DESAT”）—— IGBT和SiC MOSFET的典型保護——米勒鉗製（避免錯誤開啟）。包括這些或其他必要的封裝功能可以實現緊湊的係統，並最大限度地減少布局中的寄生電感，這是使用SiC的高開關頻率係統的基本要求。

 

在zai數shu字zi控kong製zhi的de係xi統tong中zhong
，內nei置zhi保bao護hu也ye非fei常chang方fang便bian，可ke以yi提ti供gong板ban載zai保bao護hu。在zai係xi統tong能neng效xiao方fang麵mian
，門men極ji驅qu動dong器qi的de接jie受shou端duan和he源yuan端duan能neng力li對dui於yu通tong過guo快kuai速su充chong電dian和he放fang電dian寄ji生sheng門men極ji電dian容rong實shi現xian快kuai速su開kai關guan轉zhuan換huan至zhi關guan重zhong要yao。在zai使shi用yongSiC技術時，這在高功率應用中特別重要

，因為這比基於Si的IGBT或SJ MOSFET實現更快的轉換。

 

電隔離門極驅動器係列具有3.5 kV和5 kV額定值的NCD57XXX和NCD51XXX為開發快速電動車充電器帶來設計靈活性和係統可靠性，在片上集成了多種功能和保護措施，並顯示出高達9 A的驅動電流能力。該產品組合包括單通道驅動器，如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x
、NCP51152/7，以及雙通道驅動器，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動器框圖

 

驅動器電源

 

與門極驅動器相鄰的一個話題是驅動它們所需的隔離電源。SiC開關的最佳性能是通過+20 V – 5 V的偏置電壓實現的，而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的細節可以在“Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驅動建議”。

 

同樣

，對於門極驅動器來說
，電源需要緊湊和堅固，確保在所有工作條件下有穩定的電壓軌。圍繞NCV3064開關穩壓器的電源，如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC有助於滿足這些需求。

 

保護措施

 

kuaisuzhiliudiandongchechongdiandelingyigezhongyaokaolvyinsushixitongzhongbiyaodeanquanbaohu，youqishifaguisuoguidingdeanquanbaohu。qiangzhixingbaohushizhenduichewaidejiediguzhangdianliu（GFC），以防止對人體產生危險的電擊風險。

 

特別是，充電電路中斷裝置（CCID）是專門為EV充電而開發的
，IEC61851-1（前麵討論過）和UL 2231-1/2標準分別對其在歐洲/亞洲和北美的實施進行了規範。FAN4147和NCS37014 GFC中斷器滿足這些法規的要求
，為開發符合安全要求的EVSE提供了現成的解決方案。

 

輔助電源

 

輔助電源單元（PSU）在電力係統中無處不在
，快速直流電動車充電也不例外。隔離反激拓撲結構是方便和可靠的選擇，可以提供低壓係統所需的典型的10-40 W。

 

特te別bie是shi
，對dui於yu快kuai速su直zhi流liu電dian動dong車che充chong電dian，直zhi流liu母mu線xian的de電dian壓ya水shui平ping是shi影ying響xiang整zheng個ge係xi統tong的de主zhu要yao因yin素su之zhi一yi。現xian在zai的de趨qu勢shi是shi提ti高gao這zhe些xie水shui平ping，以yi減jian少shao特te定ding功gong率lv水shui平ping的de峰feng值zhi電dian流liu並bing提ti高gao能neng效xiao。

 

如今
，直流母線電壓水平高達800 V（甚至更高）是很常見的
，並不是所有的傳統方案都適合電動汽車充電。在這裏，圍繞NCP1362準諧振穀初級端開關或NCP1252和NCP12700次級端控製器開發的PSU可以幫助解決這些需求。在開關方麵，具有高RDS on（160 mOhms）的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用
，因為它們帶來了出色的性價比，是900 V DC係統的最佳方案。

 

歸結一切

 

我們已經看到了電動車市場的增長是如何加速的，以及為什麼隨著更多的電動車上路，快速直流充電需要（也將）保持吸引力。

 

在過去的大多月份裏，指向這一方向的新聞如雨後春筍般湧現，其中一個是美國總統宣布的到2030年建立50萬個直流充電樁網絡的計劃。其最終目標是推動電動車成為主流

，擺脫以內燃機為基礎的交通工具，並應對氣候變化。

 

kuaisuhechaokuaisudezhiliuchongdianzhuangshidiandongqichedeyigeguanjianzhizhu，yeshiwanchengshengtaixitongdeyigebukehuoquedeyuansu
，zaijiatingzhongkeyishiyongjiaodigonglvdejiaoliuchongdiantidaipin
，yinweikeyizaijiaochangshijianneichongdian。zuoweiyigexinshengde、快速發展的市場
，快速直流電動車充電器的要求和使用案例在不斷升級，留下了一個需要各種解決方案和不同優化的空間。

 

不過，所有這些的共同點將是越來越高的功率、電壓水平和能效。此外，隨著此類基礎設施的大規模推出，競爭格局變得更加嚴酷
，安裝的投資回報率也將需最大化
，預計對尺寸
、重量、成本和可靠性的限製也會加強。

 

現在，SiC功率技術正在成熟，其價格正在達到有吸引力的水平
，這為先進的SiC功率集成模塊技術的發展留下了空間。更高的能效和優越的熱性能，使充電係統更輕、更小、成本更優化
，可提供高達400 kW的功率。除了SiC技術和功率模塊的內在優勢，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動車的基石。

 

安森美半導體不僅是SiC技術和功率集成模塊的一個領先供應商，而且在質量上與眾不同。作為極少數擁有SiC完整供應鏈的供應商之一，安森美半導體確保我們的SiC分立及模塊產品的最高質量和可靠性標準，以及卓越的運營和靈活性。

 

 

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