“开发中的电动汽车 (EV) 直流快速充电器现在必须满足比已安装的充电器更严格的规格。这一高要求源于两个市场压力：首先，为最新电动汽车中嵌入的更高容量电池提供更快的充电速度。其次，需要实现双向功率流，以支持新的车辆到电网（V2G）和车辆到建筑物（V2B）应用，随着更多能源由风能和太阳能等波动能源产生，该技术将有助于平衡电网。
”作者：Riccardo Collura
开发中的电动汽车 (EV) 直流快速充电器现在必须满足比已安装的充电器更严格的规格。这一高要求源于两个市场压力：首先，为最新电动汽车中嵌入的更高容量电池提供更快的充电速度。其次，需要实现双向功率流，以支持新的车辆到电网（V2G）和车辆到建筑物（V2B）应用，随着更多能源由风能和太阳能等波动能源产生，该技术将有助于平衡电网。
充电器制造商可以通过将直流快速充电器作为模块化构建块来实现其设计的灵活性：多个模块可以并联连接，将功率输出扩大到高达 300 kW。这意味着当多个模块堆叠在充电器外壳中时，模块的功率密度成为关键问题，热管理也是如此。
为了应对这些挑战，电动汽车充电器制造商已转向碳化硅 (SiC) 功率开关，它的开关速度比同等硅 MOSFET 或 IGBT 更快，且开关损耗低得多：因此可以使用更小的磁性元件，从而提高系统功率密度。SiC 技术还为高密度电源设计的热问题提供了解决方案，因为它比硅器件具有更高的效率，能承受更高的工作温度，从而可以使用更小的散热器，并降低系统组件的热应力。
目前，具备向充电器制造商批量供应 SiC 器件的技术能力和制造能力的半导体制造商寥寥无几：领先者包括英飞凌、安森美和意法半导体。 因此，许多电动汽车充电器设计人员可寻求这些公司的参考设计板，以评估各种 SiC 电源开关的性能，并评估它们对其应用的适用性。
这些参考设计在 PFC 级和 DC-DC 转换器级提供了一些最适合双向直流快速充电器拓扑的方案。了解这些拓扑及其优点和缺点将有助于设计人员找出最适合其应用要求的拓扑。让我们先看看电动汽车充电器的有源前端 PFC 级的拓扑选择。
直流充电器模块的有源前端 PFC 级
AC-DC级将 380 V 至 415 V AC范围内的正常三相输入转换成约 800 V 的稳定直流母线电压。本文中讨论的所有拓扑均适用于双向系统，因此转换也会以相反的方式进行，即从DC到AC。
SiC 器件特别适合基于半桥配置的双向转换器。通常双向系统会执行重复的硬换向：在这种情况下，硅功率开关在器件体二极管处的反向恢复时间较长，将导致高功耗和低效率，以及更高的热应力和更低的系统可靠性。因此，双向转换器需要较短甚至为零的反向恢复时间，这是 SiC MOSFET 的一个特性，如图 1 所示。
图 1：低体二极管反向恢复时间对于具有半桥配置并面临重复硬换向的双向转换器至关重要
三相双向直流充电器的有源前端 PFC 级有以下三种拓扑结构值得考虑：
· 两级PFC
· 三级中性点钳位（NPC）/有源NPC（ANPC）
· 三级T型NPC
两级 PFC 拓扑
两级PFC拓扑的六开关升压型整流器是一个非常简单、易于控制的电路，如图2所示。它利用双向功率流，以合理的效率实现高功率因数。与三级拓扑相比，它具有更少的元件数量和更简单的 PCB 布局。
图 2：两级 PFC 拓扑
另一方面，它需要具有高额定电压的开关来阻断整个直流母线电压。例如，在 800 V 直流应用中，需要具有 1,200 V 阻断能力的 SiC MOSFET。
这种拓扑的另一个缺点是滤波电感器体积庞大，需要它来最大限度地减少输入电流的总谐波失真 (THD)。三级拓扑不需要太大的电感，可以降低功率密度。另一个需要考虑的因素是高峰值电压应力，它会影响半导体和其他无源器件的使用寿命。
最后，该转换器的 EMI 性能远低于下文所述的多级 PFC 拓扑。
三级 NPC/ANPC PFC 拓扑
在三级NPC/ANPC拓扑中，每个开关只需能够阻断一半的总线电压，因此可以使用额定电压较低的MOSFET，器件上的电压应力要低得多，如图3所示。这意味着该拓扑可以轻松跨多个平台进行扩展，与SiC、GaN和硅功率开关一起使用，以满足具有不同功率、成本和效率要求的应用的需求。
图 3：三级 NPC PFC 拓扑
在 800 V 应用中，可以使用额定值 600 V 的 MOSFET。600 V MOSFET 不仅提供比 1,200 V MOSFET 更低的开关损耗，还可以支持更快的开关频率。
在 NPC 拓扑中，输出电流的纹波较低，输出电压瞬态降低 50%。这降低了对滤波和隔离的要求，并可以使用更小的滤波电感器。由于调节电流波形中的 THD 所需的电感较少，因此该设计可以实现更高的功率密度。这种多级转换器拓扑的输出电压也受到非常低的干扰，从而最大限度地减少了器件上的 dv/dt 应力，并提高了 EMI 性能。
虽然 NPC 拓扑在开关频率高于 50 kHz 时比两级 PFC 提供更低的开关损耗和更高的效率，但它确实需要更多的开关，并且每个开关都需要自己的栅极驱动电路。这意味着控制更加复杂，BoM 成本更高。
此外，这种拓扑结构同时使用有源半导体开关和二极管，导致整个功率级损耗的不对称分布，可能使热管理变得困难。一些设计人员更喜欢更对称的损耗分布，因此将 NPC 拓扑中的二极管替换为 ANPC 转换器中的有源开关，如图 4 所示。
图 4：三级 ANPC PFC 拓扑
在 NPC 和 ANPC 拓扑中，所有开关的阻断电压降低意味着可以使用高效氮化镓 (GaN) 开关来提高效率和功率密度，这一点非常有用。
三级T型NPC PFC拓扑
在三级 T 型 NPC PFC 转换器中，传统的两级电压源转换器拓扑通过有源双向开关扩展到直流母线中点，如图 5 所示。对于 800 V 直流母线电压，1,200 V IGBT/二极管通常在每相的高边和低边工作，因为必须阻断全电压。但在T型配置中，到直流母线中点的双向开关仅需要阻断一半电压。这意味着可以使用较低电压的器件来实现，例如两个包含反并联二极管的 600 V IGBT。
图5：三级T型NPC PFC拓扑
由于阻断电压降低，中间开关产生非常低的开关损耗和可接受的传导损耗。与三级 NPC 拓扑不同，T 型 NPC 拓扑不串联必须阻断整个直流母线电压的器件。
在 NPC 拓扑中，通常会避免直接从正直流母线电压到负直流母线电压的开关转换，反之亦然，因为当两个串联的 FET 同时关断时，它们可能会导致电压分配不均匀而暂时被阻断。这种不良影响不会发生在 T 型拓扑中。因此，没有必要实施阻止此类转换的低级路径，或者提供串联 IGBT 上的瞬态电压平衡。
使用单个 1,200 V 器件来阻断全部直流母线电压的另一个好处是减少传导损耗。每当输出连接到正极或负极时，电路仅承受一个器件的正向压降；在NPC拓扑中，两个器件总是串联的。这大大降低了传导损耗，使得 T 型拓扑在低频开关应用中很有价值。
总体而言，传导损耗明显低于 NPC 拓扑，但由于器件会阻断全部直流母线电压，因此开关损耗较高。因此，T 型整流器最适合开关频率最高 50 kHz 的应用，而 NPC 拓扑在高于 50 kHz 的频率下表现更好。
表 1 显示了上述三种 PFC 级拓扑的优缺点的比较。
表 1：PFC 拓扑特性总结
直流充电器模块的 DC-DC 转换器级
DC-DC级是电流隔离转换器，它将输入的 800 V 直流母线电压转换为稳压直流输出电压，用于为电动汽车电池充电，绕过车辆的车载充电器，该充电器仅在连接到交流充电器时使用 。
双向 DC-DC 级的拓扑可以通过以下两种方式之一实现：
· 双有源桥
· CLLC 模式的双有源桥
双有源桥拓扑
双有源桥 (DAB) 转换器由一个在初级侧和次级侧均带有源开关的全桥组成，通过高频变压器连接，如图 6 所示。由于其中一个桥固有的滞后电流，电流一次对一个桥的开关的输出电容进行放电。当次级侧开关放电时，初级侧的一些开关实现零电压开关导通。还可以在开关之间使用无损电容缓冲器，以减少关断损耗。
图 6：双有源桥 DC-DC 转换器拓扑
这种转换器拓扑的主要优点是：
· 双向能力，通过控制两个桥之间的相位角来实现
· 模块化，使其能够扩展到更高的功率级别
在单相移调制中，DAB 拓扑结构易于控制。 然而，对于扩展的双相移或三相移调制，控制方案变得复杂。这种拓扑可用于通过单相移调制来覆盖较宽的电池电压范围，但变压器中的循环电流会上升到较高水平，从而大大降低效率。
然而，利用三相移调制等先进调制方案，转换器理论上可以在整个工作范围内执行零电压开关。在此拓扑中，输出功率与变压器 KVA 额定值的比率较高。处理纹波电流所需的输出电容也很低。
总体而言，该转换器非常适合功率密度、成本、重量、隔离和可靠性为关键因素的应用，因为它具有一系列有吸引力的特性：
· 元件数量相对较少
· 软开关换相
· 低成本
· 高效率
但值得注意的是，DAB 转换器通常需要额外的匀场电感器来支持零电压开关：这会增加电路尺寸并降低功率密度。
CLLC 模式的 DAB 拓扑
CLLC 电路配置可执行经典 LLC 的所有功能，但具有额外的优势，即在次级侧使用有源开关可实现双向功率传输，如图 7 所示。
图 7：CLLC 模式的 DAB 拓扑
该转换器以零电压/零电流开关模式运行，从而实现高效率。当总线电压有 10% 的变化空间时，该转换器可以适应广泛变化的电池电压，同时保持良好的效率。然而，在总线电压固定的情况下，该拓扑的工作范围非常有限。
初级侧和次级侧的电容器消除了变压器铁芯饱和的风险。
CLLC 模式下的 DAB 转换器实际上最适合AC-DC车载充电器。不过，它的使用功率水平高于车载充电器的功率水平，最高可达 15 kW。但扩展到更高功率水平和并联可能很困难，因为它需要高度对称的结构和多个模块的同步，这是一项艰巨的任务。
DAB 拓扑和 CLLC 模式的 DAB 拓扑均常用于 800 V 隔离式 DC-DC 转换器。电压转换比控制转换器端子的连接，这会影响开关所需的击穿电压额定值：高压转换器可以串联，或在一个端子上串联，而另一个端子保持并联。这意味着拓扑连接有四种可能的配置。
CLLC 模式的 DAB 拓扑的两个示例如下：图 8 显示了串联输入配置，图 9 显示了 800 V 总线电压的并联输入配置，输出电压范围为 200 V 至 1 kV。
图 8：具有串联输入的 CLLC 模式的 DAB 转换器
图 9：具有并联输入的 CLLC 模式的 DAB 转换器
串联输入全桥 CLLC 的优点是在较宽的输出电压范围内具有较窄的谐振频率范围，从而降低了开关损耗；这里可以使用 650 V 器件。但这需要对直流总线侧串联的直流总线电容器电压进行更复杂的控制。此外，为了实现给定的效率，需要比使用 1,200 V 器件的单个全桥具有更低导通电阻的器件。
CLLC模式的并行输入全桥DAB转换器的优点是，对于给定的效率，电路可以使用具有更高导通电阻的器件，同时控制方案更容易。需要宽谐振频率范围来支持宽输出电压范围。
两种 DC-DC 级拓扑的优点和缺点如表 2 所示。
表 2：两种 DC-DC 级拓扑的特性总结
参考设计加速新型直流充电器电路的实施
领先的 SiC MOSFET 制造商提供的参考设计为新型高功率直流充电器设计提供了部分或全部蓝图。
意法半导体的STDES-PFCBIDIR 15 kW 双向 PFC 级转换器采用 T 型 NPC 拓扑，如图 10 所示。它采用数字控制，在 400 V 交流电压和 800 V 直流电压之间进行转换。效率几乎达到99%。意法半导体优化了无源元件的尺寸和成本，并且该转换器提供高功率密度。
图 10：意法半导体的 STDES-PFCBIDIR PFC 参考设计以其高效率和功率密度而著称
STDES-PFCBIDIR 与意法半导体的 25 kW STDES-DABBIDIR 相结合，为双向电动汽车充电器提供了完整的解决方案。STDES-DABBIDIR 使用 ACEPACK 2 封装的 SiC MOSFET 功率模块以 100 kHz 实现 DAB 拓扑开关，如图 11 所示。数字控制由 STM32G474RE MCU 执行。软开关操作由自适应调制技术管理，该技术响应负载和电压的变化
图 11：STDES-DABBIDIR DC-DC 转换器参考设计板的额定功率为 25 kW
英飞凌 REF-DAB11KIZSICSYS 是一款双向 DC-DC 转换器级，采用 CLLC 模式的 DAB 拓扑，如图 12 所示。它在 800 V 电压下提供高达 11 kW 的输出，效率高于 97%。
图 12：英飞凌 REF-DAB11KIZSICSYS 参考设计板的额定输出功率为 11 kW
该板基于由英飞凌 1EDC20I12AH 栅极驱动器驱动的 IMZ120R030M1H CoolSiC™ MOSFET，以低成本结合了高功率密度和可靠性
英飞凌还开发了完整的DC-DC充电器参考设计 REF-EV50KW2SICKIT，将于 2023 年发布。这款 50 kW 直流充电器子单元旨在用作堆叠式高功率充电系统中的模块，如图 13所示。
图 13a、13b：英飞凌的 REF-EV50KW2SICKIT 实现了完整的 DC-DC 快速充电器
发布后，英飞凌将提供可装入 19 英寸 4U 机箱的完全组装板。还将提供电源控制卡以及带有 GUI 的软件。
另一种完整的 DC-DC 充电器设计由安森美提供。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 是一款 25 kW 充电器，它实现了两级 PFC 和 DAB 拓扑，如图 14 所示。
图 14：安森美的 SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 参考设计是一款 25 kW DC-DC 充电器
SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 采用多个 NXH010P120MNF1 半桥 SiC 模块，其击穿电压额定值为 1,200 V。这些 SiC 模块以其 10 mΩ 的极低导通电阻和低寄生电感而著称，可大幅降低传导和开关损耗。转换操作由基于 Zynq®-7000 SoC FPGA 的强大通用控制器板控制。输出电压范围为 200 V 至 1,000 V，效率高达 96%。
多个 SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 板可以堆叠在一个机柜中，以提供应用所需的输出功率。
小结
双向电动汽车快速充电器的 PFC 和 DC-DC 转换器级拓扑的选择使设计人员可以优化尺寸、成本、效率、输出功率、元件数量，且易于控制。
领先 SiC 器件制造商提供的高性能参考设计可帮助设计人员开始应用其中一些拓扑结构。
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