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電動(dòng)車(chē)快速直流充電:常見(jiàn)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率器件

jf_pJlTbmA9 ? 來(lái)源:onsemi ? 作者:onsemi ? 2023-11-29 16:06 ? 次閱讀
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直流快速充電(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DCFC”)在消除電動(dòng)車(chē)采用障礙方面的作用是顯而易見(jiàn)的。對(duì)更短充電時(shí)間的需求推動(dòng)近400千瓦的高功率電動(dòng)車(chē)快充進(jìn)入市場(chǎng)。本博客將講述典型的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和用于DCFC的AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。

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圖1.電動(dòng)車(chē)直流快速充電架構(gòu)圖

有源整流三相PFC升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相功率因數(shù)校正(PFC)系統(tǒng)(也稱(chēng)為有源整流或有源前端系統(tǒng))正獲得越來(lái)越多的關(guān)注,近年來(lái)需求急劇增長(zhǎng)。PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于高效地為DCFC供電至關(guān)重要。將碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體納入您的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以解決挑戰(zhàn),減少功率損失并提高功率密度的。

前端PFC升壓級(jí)可以用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),而且?guī)追N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足相同的電力要求。圖2展示了DCFC應(yīng)用中常見(jiàn)的PFC架構(gòu)。它們之間的一個(gè)首要區(qū)別是雙向性。T-中性點(diǎn)鉗制(T-NPC)和I-NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)用開(kāi)關(guān)取代一些二極管而適合雙向操作。6個(gè)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙向的perse。

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圖2.用于DCFC的典型PFC升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).T-NPC(左上)、6開(kāi)關(guān)(右上)和I-NPC(底部)

另一個(gè)影響設(shè)計(jì)和功率器件額定電壓的重要因素是架構(gòu)中的級(jí)數(shù)。6個(gè)開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)2級(jí)架構(gòu),通常用900 V或1200 V的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速直流電動(dòng)車(chē)充電器。這里SiC MOSFET-模塊具有低RDS on(6-40 mQ)區(qū)域的首選解決方案,特別是對(duì)于每塊15 kW以上的高功率范圍。

這種集成表現(xiàn)出比分立解決方案更優(yōu)越的功率性能,提高了能效,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),減小了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸,并最大化可靠性。T-中性點(diǎn)箝位(T-NPC)是一種3級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使用1200 V整流器(以雙向形式用開(kāi)關(guān)代替),中性點(diǎn)路徑上有650 V開(kāi)關(guān)背對(duì)背。I-NPC是一個(gè)3級(jí)架構(gòu),可能完全用650 V開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。650 V SiC MOSFET或IGBT與共封裝二極管代表了這些3級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)秀替代方案。

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圖3.F1-2 PACK SiC MOSFET半橋模塊.1200 V,10 mΩ

DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在研究DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)時(shí),主要采用了三種隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):全橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器(LLC轉(zhuǎn)換器)、全橋移相雙有源橋(DAB)零電壓過(guò)渡(ZVT)轉(zhuǎn)換器(DAB-ZVT轉(zhuǎn)換器)和全橋移相零電壓過(guò)渡轉(zhuǎn)換器(ZVT轉(zhuǎn)換器)(圖4、5和6)。

全橋LLC諧振

LLC轉(zhuǎn)換器在初級(jí)端實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS),同時(shí)在諧振頻率及以下——在次級(jí)端實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)從而在諧振頻率附近產(chǎn)生了非常高的峰值效率。作為一個(gè)純粹的頻率調(diào)制(FM)系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離諧振頻率時(shí),這可能是需要寬輸出電壓操作時(shí)的情況,LLC的能效就會(huì)下降。然而,先進(jìn)的混合調(diào)制方案使今天的脈沖調(diào)制(PWM)與調(diào)頻相結(jié)合,限制了最大頻率失控和高損耗。不過(guò),這些混合實(shí)現(xiàn)方式還是給已經(jīng)有時(shí)很麻煩的LLC控制算法增加了復(fù)雜性。此外,并聯(lián)的LLCs轉(zhuǎn)換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)有可能在相對(duì)較小的電壓范圍內(nèi)工作時(shí),和/或當(dāng)具備實(shí)施結(jié)合調(diào)頻和PWM的先進(jìn)控制策略的開(kāi)發(fā)技能時(shí),LLC是一種難以超越的設(shè)計(jì)。它不僅可以提供最高的能效,而且從各個(gè)角度看都是一個(gè)非常全面的解決方案。LLC可以作為CLLC以雙向形式實(shí)現(xiàn),這是另一種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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圖4.全橋LLC轉(zhuǎn)換器

全橋移相雙有源橋(DAB)零電壓過(guò)渡(ZVT)轉(zhuǎn)換器

帶有次級(jí)同步整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DAB-ZVT轉(zhuǎn)換器也非常典型。這些都是用PWM工作,一般來(lái)說(shuō),需要比LLC轉(zhuǎn)換器更簡(jiǎn)單的控制。DAB可以被認(rèn)為是傳統(tǒng)的全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器的演變,但漏電感器在初級(jí)端,這簡(jiǎn)化了繁瑣的次級(jí)端整流,減少了二次開(kāi)關(guān)或二極管的必要額定擊穿電壓。由于實(shí)現(xiàn)了ZVT,這些轉(zhuǎn)換器可以在很寬的輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的高能效。這對(duì)于支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來(lái)說(shuō)是個(gè)方便的因素。DAB的PWM工作帶來(lái)了好處。首先,它傾向于使轉(zhuǎn)換器的電磁干擾(EMI)頻譜比調(diào)頻系統(tǒng)中的更緊密。此外,用固定的開(kāi)關(guān)頻率,系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)的行為更容易解決。通過(guò)同步整流,DAB是一種雙向的原生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是快速電動(dòng)汽車(chē)充電器的最通用的替代方案和合適的解決方案之一。

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圖5.全橋移相式DAB ZVT轉(zhuǎn)換器

全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器

對(duì)于單向操作,傳統(tǒng)的全橋移相ZVT(圖6)仍然是一個(gè)可用的選擇,但滲透率越來(lái)越低。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作與DAB類(lèi)似,但位于次級(jí)端的電感器在整流中帶來(lái)一個(gè)顯著的差異。電感器在二極管上設(shè)置了高的反向電壓,這將與占空比成正比和反比,因此,根據(jù)工作條件,二極管上的反向電壓可能超過(guò)輸出電壓的兩到三倍。這種情況在高輸出電壓的系統(tǒng)中(如電動(dòng)車(chē)充電器)可能具有挑戰(zhàn)性,通常多個(gè)次級(jí)繞組(具有較低的輸出電壓)被串聯(lián)起來(lái)。這樣的配置并不那么方便,特別是如果考慮到功率和電壓的額定值,不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)含單一輸出將提供相同或更好的性能。

SiC-模塊代表了上述DC-DC電源轉(zhuǎn)換級(jí)中全橋的一個(gè)非常合適和常見(jiàn)的解決方案,功率高于15 kW。更高的頻率有助于縮小變壓器和電感器的尺寸,從而縮小整個(gè)解決方案的外形尺寸。

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圖6.全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變體

所討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在多種變體,帶來(lái)額外的優(yōu)勢(shì)和折衷。圖16顯示了用于快速電動(dòng)車(chē)充電的全橋LLC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)常見(jiàn)替代方案。在移相中,開(kāi)關(guān)在輸入電壓的一半以下,并使用600 V和650 V的斷電電壓器件。650 V SiC MOSFET、650 V SuperFET 3快速恢復(fù)(FR)MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助于解決不同的系統(tǒng)要求。同樣,用于初極端的二極管和整流器需要650 V的阻斷電壓等級(jí)。這些3級(jí)架構(gòu)允許單極開(kāi)關(guān),這有助于減少峰值電流和電流紋波,這將導(dǎo)致用更小的變壓器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)之一是,與具有較少電源開(kāi)關(guān)的2級(jí)版本相比,控制算法需要額外的復(fù)雜程度。雙有源橋以及雙有源橋可以很容易地在初級(jí)端和次級(jí)端并聯(lián)或堆疊,以最配合快速電動(dòng)汽車(chē)充電器的電流和電壓需求。

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圖7.3-級(jí)全橋LLC轉(zhuǎn)換器-這種變體在初級(jí)端堆疊(只有一半的輸入電壓應(yīng)用于每個(gè)變壓器),在次級(jí)端并聯(lián)

次級(jí)端整流

關(guān)于次級(jí)端整流,如圖8所示,可以有多種解決方案,而且都可以使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于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(dú)特的性?xún)r(jià)比解決方案。由于其零反向恢復(fù)特性,與硅基替代品相比,這些器件大大增強(qiáng)了整流性能和能效,大大降低了損耗和整流級(jí)的復(fù)雜性。硅基二極管,如Hyperfast、UltraFast和Stealth,可以作為成本非常有限的項(xiàng)目的替代品,但要犧牲性能和增加復(fù)雜性。采用中心抽頭整流的解決方案(圖6)對(duì)于高電壓輸出整流級(jí)來(lái)說(shuō)并不方便。與全橋整流不同的是,在全橋整流中,二極管的標(biāo)準(zhǔn)反向電壓等于輸出電壓,而在中心抽頭配置中,二極管要承受這個(gè)數(shù)值的兩倍。常規(guī)的全橋移相轉(zhuǎn)換器(電感在次級(jí)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(guī)全橋移相轉(zhuǎn)換器對(duì)1200 V或1700 V額定二極管的需求,幾個(gè)輸出將被串聯(lián)起來(lái)。

本文轉(zhuǎn)載自:onsemi

審核編輯 黃宇

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