設計直流超快充電樁方案必知的幾種常見(jiàn)拓撲

充電時(shí)間是消費者和企業(yè)評估購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)主要考慮因素，為了縮短充電時(shí)間，業(yè)界正在轉向直流快速充電樁(DCFC)和超快速充電樁。超快速DCFC和超快速充電樁繞過(guò)了電動(dòng)汽?的車(chē)載充電機(OBC)，直接向電池提供更?的功率，并根據電池容量以200A-500A的額定電流進(jìn)?充電，以更高功率充電來(lái)實(shí)現大幅減少充電時(shí)間的目標。

為了實(shí)現更快的充電，以適配更高的電動(dòng)汽車(chē)電池電壓并提高整體功率效率，DCFC必須在更高的電壓和功率水平下運行，這給OEM制造商帶來(lái)的挑戰是必須設計一種能在不影響可靠性或安全性的情況下優(yōu)化效率的架構。由于DCFC和超快充電樁集成了各種元器件，包括輔助電源、傳感、電源管理、連接和通信器件，同時(shí)需要采?靈活的制造?法以滿(mǎn)?各種電動(dòng)汽?不斷變化的充電需求，這給DCFC和超快速充電樁設計帶來(lái)更多的復雜性。

之前我們介紹過(guò)設計直流超快充電樁方案必知的幾種常見(jiàn)拓撲，今天將繼續為大家帶來(lái)交錯式DAB變換器、雙有源橋諧振變換器、三電平 DNPC LLC 諧振變換器以及串聯(lián)半橋 (SHB) LLC 諧振變換器等拓撲結構的詳細解析。

交錯式DAB變換器

交錯式DAB變換器將損耗分配到兩個(gè)變壓器并允許使?成本優(yōu)化的安森美(onsemi) EliteSiC全橋功率集成模塊。我們可以使?EliteSiC F2全橋功率集成模塊（如NXH008T120M3F2PTHG）來(lái)開(kāi)發(fā)60kW DAB變換器，并使?Elite Power 仿真工具來(lái)計算所有橋的功率損耗。為了實(shí)現360kW直流快速充電系統，我們可以并聯(lián)6路60kW充電系統模塊。安森美建議在60kW隔離組件塊的初級和次級上實(shí)施F2全橋模塊。

圖7. 交錯式雙有源橋變換器

雙有源橋諧振變換器

對于雙向功率流，雙有源橋(DAB)諧振變換器是DAB變換器的替代解決?案。DAB變換器中添加一個(gè)額外的諧振電路來(lái)實(shí)現DAB諧振變換器。這些設計中主要使?LC（串聯(lián)諧振）、LLC 和 CLLC諧振電路。由于電路的對稱(chēng)性，CLLC DAB變換器在兩個(gè)功率流?向上提供相同的電壓增益特性。CLLC變換器在變壓器兩側使?兩個(gè)諧振電容，與LLC變換器相?，可以減少電容上的應力。DAB CLLC諧振變換器如圖8所?。

圖8. 雙有源橋 CLLC 諧振變換器

同DAB變換器相?，因為分別具有較小的諧振電感和較?的漏感，DAB諧振CLLC變換器中循環(huán)的?功功率較小。然?，DAB諧振變換器（LLC或CLLC）在輕負載條件下會(huì )出現ZVS問(wèn)題，在寬輸出電壓范圍和負載條件下會(huì )出現效率下降。為了實(shí)現初級和次級橋電路的輸出電壓調節和ZVSCS，需要實(shí)施混合調制?案。變頻運?、移相控制、PWM占空?控制和延遲關(guān)斷控制是常?的控制?法。根據電池充電器的輸出電壓和負載范圍，可以組合兩種或三種?法進(jìn)?混合控制。由于所有電源開(kāi)關(guān)均采?軟開(kāi)關(guān)，DAB諧振變換器可提供最佳的EMI性能。

建議將EliteSiC功率集成模塊（半橋或全橋）?于?功率DAB CLLC諧振變換器應?。建議將 NXH003P120M3F2 EliteSiC半橋功率集成模塊?于DAB諧振CLLC變換器，以提供25kW?120kW的功率。對于120kW設計，可以使用三相交錯雙有源半橋諧振變換器在三個(gè)變換器之間分配功率損耗。在初級和次級均具有集成諧振電感的變壓器將提?DAB諧振變換器的密度和效率。交錯式三相雙有源半橋諧振變換器如圖9所?。

圖9. 交錯式三相雙有源半橋CLLC諧振變換器

三電平DNPC LLC諧振變換器

三電平DNPC LLC諧振變換器由三電平半橋電路、鉗位?極管、諧振 LLC 電路和次級全橋電路組成，如圖10所?

DNPC拓撲結構被視為諧振LLC電路初級側的主要拓撲，因為它與上?所?的整流PFC前端和兩級全橋的相腳具有相同的結構。DNPC諧振LLC電路的工作原理可以?諧振頻率來(lái)解釋。這同樣適?于?于或低于諧振頻率。開(kāi)關(guān)S2和S3以50%的占空?運?，并有死區時(shí)間。外部開(kāi)關(guān)S1與S2同時(shí)導通，但較早關(guān)閉以提供另一個(gè)死區時(shí)間。相對于S3，此模式適?于S4。因此，S1和S4以略低于50%的占空比工作，以適應此死區時(shí)間。

DNPC LLC電路具有復雜的換相過(guò)程，涉及多個(gè)器件。ZVS切換條件將分兩步實(shí)現，第一步將輸出電容從初始電壓放電?一半電壓。然后下一步放電?0V以實(shí)現零電壓開(kāi)啟。由于ZVS的復雜性，S3和S4的開(kāi)啟情況不同。與兩電平LLC拓撲類(lèi)似，需要變頻控制來(lái)調節輸出電壓?？梢蕴砑酉嘁瓶刂苹騊WM占空?控制來(lái)實(shí)施混合調制控制，以在所有負載條件下保持ZVS狀態(tài)。

圖10. 3電平DNPC LLC諧振變換器

串聯(lián)半橋 (SHB) LLC諧振變換器

串聯(lián)半橋(SHB)LLC 諧振拓撲是多電平拓撲的另一種變體，可?作 LLC 電路的初級拓撲，以承受?輸?電壓。圖11所?的SHB LLC電路具有與DNPC諧振LLC拓撲相同的諧振回路和次級全橋電路。

圖11. 串聯(lián)半橋LLC諧振變換器（參考?獻5）

同DNPC LLC相腳相?，SHB LLC相腳的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了兩個(gè)鉗位?極管，可將動(dòng)力電池的元器件數量減少。SHB LLC拓撲具有兩種?于諧振電路操作的調制?案，從?為直流電壓轉換提供更?的控制靈活性。外部開(kāi)關(guān)S1和S4發(fā)?對稱(chēng)調制，具有相同的信號和50%占空?，?內部開(kāi)關(guān)S3和S4與具有死區時(shí)間的其他開(kāi)關(guān)互補。

對于對稱(chēng)調制，初級橋相電壓以50%占空?在Vbus和0V之間切換。對于?對稱(chēng)調制，外部開(kāi)關(guān)S1和S4具有25%的占空?，?內部開(kāi)關(guān)S3和S4具有75%的占空?。S1和S4的柵極信號不像對稱(chēng)調制那樣同步。相反它們相移180度。該相移也適?于內部開(kāi)關(guān)S3和S4。

在?對稱(chēng)調制中，上半部和下半部總線(xiàn)電壓交替連接到相腳輸出，以?xún)杀队谄骷_(kāi)關(guān)頻率的速度在Vbus的一半和零之間切換。兩種調制?案的諧振回路兩端的電壓也不同。?對稱(chēng)調制的相腳電壓的平均值是對稱(chēng)調制的相同電壓的一半。然?，?對稱(chēng)調制的 相腳電壓的等效頻率是對稱(chēng)調制的兩倍。輸出電壓的差異影響很多??，例如輸出電壓范圍、諧振回路值、開(kāi)關(guān)頻率范圍以及軟開(kāi)關(guān)條件。

SHB電路的主要優(yōu)點(diǎn)是諧振回路兩端的激勵電壓有3個(gè)不同的電平（Vbus、0.5Vbus、0）。通過(guò)調制?案電壓具有兩個(gè)頻率。直流電壓轉換的輸出電壓可以通過(guò)調制進(jìn)??范圍調整。開(kāi)關(guān)頻率可降低一半，以實(shí)現與DNPC LLC 拓撲相同的等效工作開(kāi)關(guān)頻率。這些功能為SHB LLC電路增加了更多靈活性，可處理寬輸?電壓或輸出電壓范圍。與DNPC拓撲相?，SBH電路的主要優(yōu)點(diǎn)是結構更簡(jiǎn)單。

結論

在評估了各種隔離式DC-DC拓撲結構之后，安森美認為雙有源橋變換器（ Dual Active Bridge Converter）拓撲是具有雙向充電功能的更優(yōu)化解決?案。DAB變換器具有較少的元器件，且用在?功率直流快速充電樁應?中無(wú)需串聯(lián)諧振電容，安森美使用NXH010P120M3F1半橋模塊開(kāi)發(fā)了25kW 直流快速充電樁參考設計以演示這種拓撲結構。對于?于100kW的設計，交錯式DAB變換器是一種合適的拓撲結構。

DC?DC轉換的EliteSiC M3S 功率集成模塊選型表

審核編輯：劉清