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 kW以yi上shang的de高gao功gong率lv範fan圍wei。這zhe種zhong集ji成cheng表biao現xian出chu比bi分fen立li解jie決jue方fang案an更geng優you越yue的de功gong率lv性xing能neng


，提ti高gao了le能neng效xiao
，簡jian化hua了le設she計ji，減jian小xiao了le整zheng個ge係xi統tong的de尺chi寸cun
，並bing最zui大da化hua可ke靠kao性xing。

 

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）beichuanlianqilai。zheyangdepeizhibingbunamefangbian
，tebieshiruguokaolvdaogonglvhedianyadeedingzhi
，butongdetuopujiegouhandanyishuchujiangtigongxiangtonghuogenghaodexingneng。

 

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3級ji架jia構gou允yun許xu單dan極ji開kai關guan
，這zhe有you助zhu於yu減jian少shao峰feng值zhi電dian流liu和he電dian流liu紋wen波bo，這zhe將jiang導dao致zhi用yong更geng小xiao的de變bian壓ya器qi。這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou的de主zhu要yao缺que點dian之zhi一yi是shi，與yu具ju有you較jiao少shao電dian源yuan開kai關guan的de2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ruHyperfast、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。

 

與yu全quan橋qiao整zheng流liu不bu同tong的de是shi，在zai全quan橋qiao整zheng流liu中zhong，二er極ji管guan的de標biao準zhun反fan向xiang電dian壓ya等deng於yu輸shu出chu電dian壓ya，而er在zai中zhong心xin抽chou頭tou配pei置zhi中zhong，二er極ji管guan要yao承cheng受shou這zhe個ge數shu值zhi的de兩liang倍bei。常chang規gui的de全quan橋qiao移yi相xiang轉zhuan換huan器qi（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(yong)SiC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。

 

tebieshi
，duiyukuaisuzhiliudiandongchechongdian，zhiliumuxiandedianyashuipingshiyingxiangzhenggexitongdezhuyaoyinsuzhiyi。xianzaidequshishitigaozhexieshuiping，yijianshaotedinggonglvshuipingdefengzhidianliubingtigaonengxiao。

 

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。

 

快(kuai)速(su)和(he)超(chao)快(kuai)速(su)的(de)直(zhi)流(liu)充(chong)電(dian)樁(zhuang)是(shi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)支(zhi)柱(zhu)，也(ye)是(shi)完(wan)成(cheng)生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)的(de)元(yuan)素(su)，在(zai)家(jia)庭(ting)中(zhong)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)較(jiao)低(di)功(gong)率(lv)的(de)交(jiao)流(liu)充(chong)電(dian)替(ti)代(dai)品(pin)，因(yin)為(wei)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)長(chang)時(shi)間(jian)內(nei)充(chong)電(dian)。作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)新(xin)生(sheng)的(de)、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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