在本系列文章的部分中，［1］我們介紹了電動(dòng)車快速充電器的主要系統(tǒng)要求，概述了這種充電器開發(fā)過程的關(guān)鍵級(jí)，并了解到安森美（onsemi）的應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)所述的充電器。現(xiàn)在，在第二部分中，我們將更深入研究設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并介紹更多細(xì)節(jié)。特別是，我們將回顧可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探討其優(yōu)點(diǎn)和權(quán)衡，并了解系統(tǒng)的骨干，包括一個(gè)半橋SiC MOSFET模塊。

正如我們所了解的，電動(dòng)車快速充電器通常含一個(gè)三相有源整流前端處理來自電網(wǎng)的AC-DC轉(zhuǎn)換并應(yīng)用功率因數(shù)校正（PFC），后接一個(gè)DC-DC級(jí)提供隔離并使輸出電壓適應(yīng)電動(dòng)車電池的需要（圖1）。

圖1. 一個(gè)含多個(gè)功率級(jí)的大功率快速直流充電器（左）。

電動(dòng)車快速直流充電系統(tǒng)的架構(gòu)（右）。

鑒于所提出的具挑戰(zhàn)的要求和當(dāng)前的市場趨勢，系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)考慮了幾個(gè)替代方案來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)。，結(jié)論是在AC-DC級(jí)利用6開關(guān)有源整流器，在依賴移相調(diào)制的DC-DC級(jí)利用雙有源橋（DAB）。這兩種架構(gòu)都支持雙向功能，并有助受益于1200-V SiC模塊技術(shù)，1200-V SiC模塊技術(shù)是快速和超快直流充電器的基石。接下來，我們將深入研究這兩個(gè)主要的功率級(jí)。

有源整流升壓級(jí)（PFC）

3相6開關(guān)有源整流級(jí)有助于實(shí)現(xiàn)0.99的功率因數(shù)和低于7%的總諧波失真，這些都是商用直流充電器系統(tǒng)的常見要求。與T-NPC或I-NPC等3級(jí)PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，它提供了一個(gè)高效的雙向方案，而且元件數(shù)量少。總的來說，這種兩級(jí)架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的同時(shí)，也帶來了更勝一籌的性價(jià)比。［2］

直流鏈路將在800 V的高電壓下運(yùn)行，以減少峰值電流，從而化能效和功率密度（圖2）。為此，兩級(jí)架構(gòu)需要1200 V的VBD功率開關(guān)。

系統(tǒng)的開關(guān)頻率被設(shè)定為70 kHz，以保持二次諧波低于150 kHz，這使傳導(dǎo)輻射得到控制，并促進(jìn)符合EN 55011 A類（歐盟）和FCC Part 15 A類（美國）規(guī)范（適用于連接到交流電網(wǎng)的系統(tǒng)）。其中，這些規(guī)范對(duì)注入電網(wǎng)的傳導(dǎo)輻射程度設(shè)定了限值。這種方法簡化了EMI濾波器的復(fù)雜性，使現(xiàn)成的方案成為適用的理想方案，從而達(dá)到本項(xiàng)目的目的。

圖2. 三相6開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶有功率因數(shù)校正（PFC）

的有源整流級(jí)，也被稱為PFC級(jí)。

雙有源全橋（DC-DC）

DAB的DC-DC級(jí)將含兩個(gè)全橋、一個(gè)25千瓦的隔離變壓器和一個(gè)初級(jí)側(cè)的外部漏電感，以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）（圖3）。在單變壓器結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換器有利于雙向運(yùn)行。此外，具有單變壓器的轉(zhuǎn)換器的對(duì)稱性有助于化功率開關(guān)的ZVS的工作范圍，從而實(shí)現(xiàn)高能效。

這解決了該項(xiàng)目面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，化寬輸出電壓范圍（200 V至1000 V）的能效，使DC-DC的峰值目標(biāo)能效達(dá)98%。該轉(zhuǎn)換器的工作頻率為100 kHz，這是個(gè)折衷方案，以將開關(guān)損耗以及將磁性元件的磁芯和交流損耗保持在合理的水平。

此外，該系統(tǒng)將在變壓器上運(yùn)行磁通平衡控制，這種技術(shù)省去了在DAB移相結(jié)構(gòu)中與變壓器一起工作所需的笨重的串聯(lián)電容器。在這快速充電器轉(zhuǎn)換器中，給定50 A的高均方根（RMS）工作電流、幾百伏的必要額定電壓和十分之幾微法的估計(jì)電容值，這種電容將在嚴(yán)格的要求下運(yùn)行。以目前的現(xiàn)有技術(shù)，所有這些要求將導(dǎo)致一個(gè)大尺寸的電容器。因此，磁通平衡控制策略有助于減小系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。

總的來說，DAB DC-DC轉(zhuǎn)換器為電動(dòng)車快速充電器提供了一個(gè)全方位考慮的方案，它正在成為這新的快速充電器市場的一個(gè)典型方案。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以利用移相調(diào)制，在寬輸出電壓范圍提供高功率和能效。此外，開發(fā)人員可充分利用他們對(duì)傳統(tǒng)全橋移相ZVS轉(zhuǎn)換器的專知，因?yàn)檫@兩種系統(tǒng)之間有相似之處。

另一種方案是CLLC諧振轉(zhuǎn)換器，這是一種頻率調(diào)制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在有限的輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，通常提供的轉(zhuǎn)換器峰值能效。這種轉(zhuǎn)換器是對(duì)LLC的改版，允許雙向工作。然而，控制、優(yōu)化和調(diào)整CLLC以實(shí)現(xiàn)雙向功能，并在較寬的輸出電壓范圍實(shí)現(xiàn)高輸出功率可能會(huì)變得很麻煩，需要結(jié)合頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制。

圖3. 雙有源橋（DAB）DC-DC級(jí)。該系統(tǒng)含有兩個(gè)

全橋，中間有一個(gè)隔離變壓器。

工作電壓和功率模塊

AC-DC和DC-DC級(jí)之間的直流鏈路將在高壓（800 V）下運(yùn)行，以減少電流值，從而化能效和功率密度。輸出電壓將在200 V至1000 V之間擺動(dòng)（如前所述）。由于轉(zhuǎn)換器是基于兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此需要1200-V的擊穿電壓開關(guān)才能在這樣的電壓水平上運(yùn)行。

NXH010P120MNF1半橋SiC模塊（圖4）含1200 V、10 mΩ SiC MOSFET，是PFC級(jí)和DC-DC轉(zhuǎn)換器的骨干。該模塊具有超低RDS（ON），大大降低了導(dǎo)通損耗，且化的寄生電感降低開關(guān)損耗（與分立替代器件相比）。

圖4. NXH010P120MNF1 SiC模塊采用2-PACK

半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和1200-V、10-mΩ SiC MOSFET，

用于實(shí)現(xiàn)AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器。

功率模塊封裝的卓越導(dǎo)熱性提高了功率密度（相對(duì)于分立SiC器件），減少了冷卻需求，并實(shí)現(xiàn)了小占位和強(qiáng)固的方案。SiC模塊成為一個(gè)重要元素，可在緊湊型和輕型系統(tǒng)的AC-DC和DC-DC級(jí)中分別實(shí)現(xiàn)》98%的能效。

此外，模塊賦能磁性元件縮減尺寸，適用于更高開關(guān)頻率，而減少的冷卻基礎(chǔ)架構(gòu)要求有利于降低整個(gè)系統(tǒng)的每瓦成本。在25千瓦的電動(dòng)車直流充電樁功率級(jí)中，在SiC模塊上使用基于風(fēng)扇的主動(dòng)冷卻，應(yīng)足以有效地減少系統(tǒng)中的損耗。電容器和磁性元件的選擇旨在限度地減少其冷卻要求，同時(shí)滿足技術(shù)規(guī)范。

控制模式和策略

數(shù)字控制將運(yùn)行系統(tǒng)，依靠強(qiáng)大的通用控制板（UCB），［3］它采用Zynq-7000 SoC FPGA和基于ARM的芯片。這樣一個(gè)多功能的控制單元有助于測試和輕松運(yùn)行數(shù)字領(lǐng)域的多種控制方法——如單相移位、擴(kuò)相移位和雙相移位，以及DAB變壓器上的磁通平衡——并處理所有板載和外部通信。將使用兩個(gè)UCB單元，一個(gè)用于PFC級(jí)，另一個(gè)用于DC-DC。

驅(qū)動(dòng)器

門極驅(qū)動(dòng)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能和能效也至關(guān)重要。為了充分利用SiC技術(shù)，必須高效地驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET并確保快速轉(zhuǎn)換。與硅基器件不同，SiC MOSFET通常工作在線性區(qū)域（而不是飽和狀態(tài)）。在選擇適當(dāng)?shù)腣GS時(shí)需要考慮的一個(gè)重要方面是，與硅基器件不同，當(dāng)VGS增加時(shí)，即使在相對(duì)較高的電壓下，SiC MOSFET也仍會(huì)表現(xiàn)出RDS（ON）的顯著改善。［4］

為了確保的RDS（ON），并大大減少導(dǎo)通損耗，建議導(dǎo)通時(shí)使用+20 V的VGS。對(duì)于關(guān)斷，建議使用-5 V，這樣可以減少“關(guān)斷”過渡期間的損耗，并提高魯棒性，防止意外導(dǎo)通。

此外，高驅(qū)動(dòng)電流是必要的，以實(shí)現(xiàn)適合SiC MOSFET的高dV/dt，這也有助于化開關(guān)損耗。考慮到這一點(diǎn)，PFC和dc-dc級(jí)選用NCD57000 5-kV電隔離大電流驅(qū)動(dòng)器。

該單通道芯片確保了快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，源/汲電流+4-A和-6-A，并耐用，顯示出高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）。由于采用了分立式輸出，導(dǎo)通和關(guān)斷的門極電阻是獨(dú)立的（圖5），允許單獨(dú)優(yōu)化導(dǎo)通和關(guān)斷的dV/dt值并減少損耗。

圖5. 帶有DESAT保護(hù)和分立輸出的隔離

門極驅(qū)動(dòng)器的簡化應(yīng)用原理圖。

此外，片上的DESAT功能對(duì)于確保SiC晶體管所需的快速過流保護(hù)非常有利，其特點(diǎn)是短路耐受時(shí)間比IGBT更短。下橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將復(fù)制上橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這是用于快速開關(guān)系統(tǒng)的高功率應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)證的好的做法。

隔離和電路的對(duì)稱性（上橋和下橋）有助于防止來自不同的問題（EMI、噪聲、瞬態(tài)等），從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)更強(qiáng)固的系統(tǒng)。+20-V和-5-V隔離偏置電源將由SECO-LVDCDC3064-SiC-GEVB提供，具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳布局。

關(guān)鍵物料單

表1概述了將用于設(shè)計(jì)的關(guān)鍵半導(dǎo)體元件和功能塊。

表1. 25-kW電動(dòng)車直流充電樁中采用的關(guān)鍵半導(dǎo)體元器件

整合一切

圖6顯示了上面介紹的所有系統(tǒng)器件如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中組合在一起以提供一個(gè)完整的方案。圖7讓您很好地了解實(shí)際硬件的外觀。

PFC級(jí)位于DC-DC級(jí)的頂部，形成了一個(gè)緊湊而全面的結(jié)構(gòu)。這些模塊的整體尺寸加起來為380×345×（200至270）毫米（長×寬×高），高度隨封裝的電感器件而異。終，這些25千瓦的單元可以堆疊在一起，在一個(gè)超快速的電動(dòng)車直流充電樁中實(shí)現(xiàn)更高的功率水平。

后續(xù)部分簡介

在本系列文章的后續(xù)部分，我們將進(jìn)一步詳細(xì)討論三相PFC級(jí)和DAB移相轉(zhuǎn)換器的開發(fā)，包括仿真和其他系統(tǒng)考量。將展示測試結(jié)果。

圖6. 25 kW電動(dòng)車直流充電樁的框圖

圖7. 實(shí)際PFC（左）和dc-dc（右）級(jí)的3D模型。

SiC模塊位于每個(gè)散熱器下面。在這些模型中，

可以看到門極驅(qū)動(dòng)電源、通用控制器板（UCB）和

無源塊。這些組件的其他視圖可以在以下

在線視頻中看到。