電動汽車（EV）直流快速充電器挑戰的選項

目前正在開發的電動汽車 （EV） 直流快速充電器必須滿足比當今已安裝的充電器基礎更苛刻的規格。這源于兩個市場壓力：首先，為嵌入在最新電動汽車中的高容量電池提供更快的充電，其次，實現雙向功率流，支持新的車輛到電網（V2G）和車輛到建筑物（V2B）應用——隨著風能和太陽能等波動來源產生更多能量，該技術將有助于平衡電網。

充電器制造商可以通過將直流快速充電器作為模塊化構建模塊來增強其設計的靈活性：多個模塊可以并聯，以將功率輸出擴展到高達 300 kW。這意味著當多個模塊堆疊在充電器的外殼中時，模塊的功率密度成為一個關鍵問題，熱管理也是如此。

為了應對這些挑戰，電動汽車充電器制造商已轉向碳化硅 （SiC） 電源開關，其開關速度比同等的硅 MOSFET 或 IGBT 更快，開關損耗要低得多。這樣可以實現更小的磁性元件，從而提高系統功率密度。SiC 技術還解決了高密度電源設計的熱問題，因為它比硅器件具有更高的效率和更高的工作溫度耐受性，可實現更小的散熱器，同時減少系統組件上的熱應力。

一些半導體制造商具有向充電器制造商批量供應SiC器件的技術能力和制造能力。領導該集團的是英飛凌、安森美和意法半導體。許多電動汽車充電器設計人員將尋求這些公司提供參考設計板，以評估各種 SiC 功率開關的性能并評估其應用適用性。

這些參考設計為PFC和DC/DC轉換器級的雙向直流快速充電器提供了一些最合適的拓撲結構。了解這些拓撲及其優缺點將有助于設計人員確定最適合其應用要求的拓撲。讓我們首先看一下電動汽車充電器有源前端PFC級的拓撲選擇。

直流充電器模塊的有源前端PFC級

AC/DC 級將 380 V-415 V AC 范圍內的（正常）三相輸入轉換為約 800 V 的穩定直流母線電壓。本文中研究的所有拓撲都適用于雙向系統，因此轉換也將采用另一種方式，從直流到交流。

SiC 器件特別適用于基于半橋配置的雙向轉換器。通常，雙向系統執行重復的硬換向。在這種情況下，硅電源開關在器件體二極管上的反向恢復時間較長，將導致高功率耗散、低效率、高熱應力和降低系統可靠性。因此，雙向轉換器需要較短甚至為零的反向恢復時間，這是SiC MOSFET的一個特性（見圖1）。

* 圖1. 低體二極管反向恢復時間對于雙向轉換器至關重要，雙向轉換器具有半橋配置，并且暴露于重復的硬換向。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

三相雙向直流充電器的有源前端PFC級有源前端PFC級有三種拓撲值得考慮：

• 兩電平功率因數校正
• 三電平中性點鉗位 （NPC）/有源 NPC （ANPC）
• 三級T型鼻咽癌

* 圖2. 兩級 PFC 拓撲。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

兩電平 PFC 拓撲

兩電平PFC拓撲結構的六開關升壓型整流器是一種非常簡單的電路，易于控制（見圖2）。它有利于雙向功率流，可以以合理的效率實現高功率因數。與三電平拓撲相比，它可減少元件數量并簡化PCB布局。

另一方面，它需要具有高額定電壓的開關來阻止整個直流母線電壓。例如，800 V DC 應用需要具有 1,200 V 阻斷能力的 SiC MOSFET。

這種拓撲的另一個缺點是體積龐大的濾波電感，需要將其輸入電流下的總諧波失真（THD）降至最低。三電平拓撲不需要那么大的電感，可實現更低的功率密度。

另一個需要考慮的因素是高峰值電壓應力，這會損害半導體和其他無源器件的使用壽命。

最后，轉換器的EMI性能遠低于下面描述的多電平PFC拓撲。

三電平 NPC/ANPC PFC 拓撲

在三電平NPC/ANPC拓撲中，每個開關只需要阻斷一半的總線電壓，因此可以使用額定電壓較低的MOSFET，并且器件上的電壓應力要低得多（見圖3）。這意味著這種拓撲結構可以輕松地跨多個平臺進行擴展，以便通過 SiC、GaN 和硅功率開關實現，以滿足具有不同功率、成本和效率要求的應用的需求。

在 800 V 應用中，可以使用額定電壓為 600 V 的 MOSFET。除了提供比 1,200V MOSFET 更低的開關損耗外，600 V MOSFET 還可以支持更快的開關頻率。

在NPC拓撲中，輸出電流中的紋波較低，輸出電壓瞬變降低50%。這降低了對濾波和隔離的要求，并允許使用更小的濾波電感。該設計可以實現更高的功率密度，同時調節電流波形中THD所需的電感更少。這種多電平轉換器拓撲的輸出電壓也受到非常低的干擾，從而最大限度地減少了器件之間的dv/dt應力，并改善了EMI性能。

雖然NPC拓撲在開關頻率高于50 kHz時提供比兩電平PFC更低的開關損耗和更高的效率，但它確實需要更多的開關，并且每個開關都需要自己的柵極驅動電路。這意味著控制更復雜，物料清單 （BoM） 成本更高。

* 圖3. 三電平 NPC PFC 拓撲。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

此外，這種拓撲同時使用有源半導體開關和二極管，由此產生的功率級損耗分布不對稱會使熱管理變得困難。一些設計人員更喜歡更對稱的損耗分布，因此在ANPC轉換器中用有源開關代替NPC拓撲的二極管（見圖4）。

在NPC和ANPC拓撲中，所有開關上的阻斷電壓降低意味著高效氮化鎵（GaN）開關可以提高效率和功率密度，這一點非常有用。

***圖4. *三電平 ANPC PFC 拓撲。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

三電平 T 型鼻咽癌 PFC 拓撲結構

在三電平 T 型 NPC PFC 轉換器中，傳統的兩電平電壓源轉換器 （VSC） 拓撲通過有源雙向開關擴展到直流母線中點（參見圖 5）。對于 800 V 直流母線電壓，1,200 V IGBT/二極管通常在每相的高壓和低端工作，因為必須阻斷全電壓。但在T型配置中，直流母線中點的雙向開關只需要阻斷一半的電壓。這意味著它可以通過低壓器件來實現，例如，兩個包含反并聯二極管的600 V IGBT。

由于阻斷電壓降低，中間開關產生的開關損耗非常低，導通損耗也相當可接受。與三電平 NPC 拓撲不同，T 型 NPC 拓撲不連接必須阻止整個直流母線電壓的串聯設備。

在NPC拓撲中，通常避免直接從正直流母線電壓到負直流母線電壓（反之亦然）的開關轉換，因為當兩個串聯的FET同時關閉時，它們可能會導致電壓份額不均勻被暫時阻塞。這種不良影響不會在 Ttype 拓撲中發生。因此，沒有必要實施低級例程來防止這種轉換或在串聯IGBT之間提供瞬態電壓平衡。

使用單個 1,200 V 器件阻斷整個直流母線電壓的另一個好處是降低了傳導損耗。每當輸出為正或負時，電路僅暴露于一個器件的正向壓降;在 NPC 拓撲中，兩個設備始終串聯連接。這大大降低了傳導損耗，使T型拓撲在低頻開關應用中很有價值。

總體而言，導通損耗明顯低于NPC拓撲，但由于器件會阻擋全直流母線電壓，因此開關損耗很高。因此，T型整流器最適合開關頻率高達50 kHz的應用，而NPC拓撲在高于50 kHz的頻率下性能更好。

* 圖5. 三電平 T 型 NPC PFC 拓撲結構。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

表1比較了上述三種PFC級拓撲的優缺點。

* 表 1. PFC 拓撲的功能摘要。*

直流充電器模塊的 DC/DC 轉換器級

DC/DC 級是電流隔離轉換器，可將 800 V 的輸入直流母線電壓轉換為穩壓直流輸出電壓，以便為 EV 電池充電（繞過車輛的車載充電器，該充電器僅在連接到交流充電器時使用）。

雙向 DC/DC 級的拓撲可以通過以下兩種方式之一實現：

• 雙主動橋
• CLLC模式下的雙主動橋接器

雙有源橋拓撲

雙有源橋 （DAB） 轉換器由一個全橋組成，初級側和次級側都有源開關，通過高頻變壓器連接（見圖 6）。由于其中一個電橋中固有的滯后電流，電流一次釋放一個電橋開關的輸出電容。當次級側開關放電時，初級側的某些開關可實現零電壓開關導通。無損耗電容緩沖器也可在開關兩端使用，以降低關斷損耗。

這種轉換器拓撲的主要優點是：

• 雙向能力，通過控制兩個電橋之間的相位角來實現
• 模塊化，允許將其擴展到更高的功率水平

***圖6. *雙有源橋 DC/DC 轉換器拓撲。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

在單相移調制中，DAB拓撲易于控制。然而，對于擴展的雙相移或三相移調制，控制方案變得復雜。這種拓撲結構可以通過單相移位調制覆蓋很寬的電池電壓范圍，但變壓器中的環流上升到更高的水平，從而大大降低了效率。

然而，借助三相移調制等高級調制方案，該轉換器理論上可以在整個工作范圍內執行零電壓開關。在這種拓撲結構中，輸出功率與變壓器KVA額定值的比值很高。處理紋波電流所需的輸出電容也很低。

總體而言，該轉換器具有一系列吸引人的特性，非常適合功率密度、成本、重量、隔離度和可靠性是關鍵因素的應用：

• 組件數量相對較少
• 軟開關換向
• 低成本
• 高效率

然而，值得注意的是，DAB轉換器通常需要一個額外的勻場電感來支持零電壓開關：這會增加電路尺寸并降低功率密度。

CLLC 模式下的 DAB 拓撲

CLLC電路配置執行傳統LLC的所有功能，但優點是使用副邊的有源開關可實現雙向功率傳輸（見圖7）。

該轉換器工作在零電壓/零電流開關模式，從而提高效率。當有空間將總線電壓改變10%時，該轉換器可以滿足廣泛變化的電池電壓，同時保持良好的效率。然而，對于固定總線電壓，這種拓撲的工作范圍非常有限。

初級側和次級側均存在電容器，消除了變壓器磁芯飽和的風險。

CLLC模式下的DAB轉換器最適合AC/DC板載充電器。它可以在高于車載充電器手柄的功率水平下使用 – 高達 15 kW。但是，擴展到更高的功率水平和并聯可能很困難，因為它需要高度對稱的罐結構和多個模塊的同步 - 這是一項艱巨的任務。

* 圖7. CLLC 模式下的 DAB 拓撲。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

CLLC模式拓撲中的DAB和DAB通常用于800 V隔離式DC/DC轉換器。電壓轉換比控制轉換器端子的連接，這會影響開關所需的擊穿電壓額定值：高壓轉換器可以串聯或并聯在一個端子中，而另一個端子保持并聯連接。這意味著拓撲的連接有四種可能的配置。

顯示了CLLC模式下DAB拓撲的兩個示例：圖8顯示了串聯輸入配置，圖9顯示了800 V總線電壓的并行輸入配置，輸出電壓范圍為200 V至1 kV。

串聯輸入全橋CLLC的優點是其在寬輸出電壓范圍內的諧振頻率范圍較窄，從而降低了開關損耗;這里可以使用650 V器件。但這需要對直流母線側串聯的直流母線電容電壓進行更復雜的控制。此外，為了實現給定的效率，需要比使用1,200 V器件的單個全橋具有更低的導通電阻的器件。

在CLLC模式下，并行輸入全橋DAB轉換器的優點是，對于給定的效率，電路可以使用導通電阻較高的器件，同時控制方案更容易。需要寬諧振頻率范圍以支持寬輸出電壓范圍。

* 圖8. 具有串聯輸入的CLLC模式下的DAB轉換器。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

* 圖9. 具有并行輸入的 CLLC 模式下的 DAB 轉換器。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

兩種DC/DC級拓撲的優缺點如表2所示。

參考設計加速直流充電器電路實施

領先的 SiC MOSFET 制造商提供參考設計，為新的高功率直流充電器設計提供部分或全部藍圖。

意法半導體STDES-PFCBIDIR 15 kW雙向PFC級轉換器采用T型NPC拓撲結構（見圖10）。數字控制，可在 400 V AC 和 800 V DC 之間轉換。效率幾乎達到99%。意法半導體優化了無源元件的尺寸和成本，該轉換器具有高功率密度。

* 表 2. 兩種 DC/DC 級拓撲的特性摘要。*

* 圖 10. 意法半導體的STDES-PFCBIDIR PFC參考設計以其高效率和功率密度而著稱。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

STDES-PFCBIDIR與意法半導體的25 kW STDES-DABBIR配對為雙向電動汽車充電器提供了完整的解決方案。STDES-DABBIDIR 采用 ACEPACK 2 封裝，使用 SiC MOSFET 功率模塊實現 100 kHz 的 DAB 拓撲切換（參見圖 11）。STM32G474RE MCU執行數字控制。自適應調制技術管理軟開關操作，以響應負載和電壓的變化。

英飛凌REF-DAB11KIZSICSYS是一款雙向DC/DC轉換器級，可在CLLC模式下實現DAB拓撲（見圖12）。它在 800 V 時提供高達 11 kW 的輸出，效率高于 97%。

該板基于英飛凌1EDC20I12AH柵極驅動器驅動的IMZ120R030M1H CoolSiC MOSFET，以低成本實現了高功率密度和可靠性。

* 圖 11. STDES-DABBIRIR DC/DC 轉換器參考設計板的額定功率為 25 kW。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

***圖 12. *英飛凌 REF-DAB11KIZSICSYS 參考設計板的額定輸出功率為 11 kW。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

*圖片由 *Bodo 的動力系統提供 [PDF]

***圖 13. *英飛凌的REF-EV50KW2SICKIT實現了完整的DC/DC快速充電器。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

英飛凌還開發了完整的DC/DC充電器參考設計REF-EV50KW2SICKIT，即將于2023年3月發布。該 50 kW 直流充電器子單元旨在用作堆疊式大功率充電系統中的模塊（見圖 13）。

該設計實現了高于 0.95 的功率因數和 96% 的最大效率。

在發布時，英飛凌將提供完全組裝的電路板，適合19英寸4U機架。還將提供電源控制卡和帶GUI的軟件。

另一個完整的DC/DC充電器設計由安森美提供。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 是一款 25 kW 充電器，采用兩電平 PFC 和 DAB 拓撲結構（見圖 14）。

*圖片由 *Bodo 的動力系統提供 [PDF]

* 圖 14. 安森美半導體的SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK參考設計是一款25 kW DC/DC充電器。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 具有多個NXH010P120MNF1半橋 SiC 模塊，擊穿電壓額定值為 1,200 V。 這些 SiC 模塊以其 10 mΩ 的極低導通電阻和低寄生電感而著稱，可顯著降低傳導和開關損耗。轉換操作由基于 Zynq-7000? SoC FPGA 的強大通用控制器板控制。輸出電壓范圍為 200 V 至 1,000 V，效率高達 96%。

多個SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK板可以堆疊在一個機柜中，以提供應用所需的輸出功率。

優化快速充電功能

雙向電動汽車快速充電器的PFC和DC/DC轉換器級中的拓撲選擇使設計人員能夠優化尺寸、成本、效率、輸出功率、組件數量和易于控制。

領先的 SiC 器件制造商提供的高性能參考設計使設計人員在實現其中一些拓撲時處于領先地位。