直流快速充電系統(tǒng)：通過LLC 變壓器驅(qū)動最大限度提高功率密度

在全世界都致力于實現(xiàn)碳中和的同時，電動汽車 (EV) 也在迅速搶占內(nèi)燃機(jī)汽車的市場份額。 然而，電動汽車存在里程焦慮的問題，用戶會擔(dān)心在不充電的情況下EV能夠駕駛多長時間。為了解決這個問題，世界各國的政府都在大力投資EV充電基礎(chǔ)設(shè)施。

EV充電站類型

目前在用的EV充電站類型多樣，從 1 級/2 級 (L1/L2) 充電站，到可提供高達(dá) 400kW 功率的直流快速充電 (DCFC) 站（見圖 1）。

圖1: 電動汽車充電站

EV充電站具體描述如下：

?L1/L2:這類充電站可提供交流電為電動汽車充電，電池滿電的充電時長通常需 8 小時以上。L1 的充電功率為 3kW 或更低，這意味著車輛每充電1小時可行駛 2 至 10 英里；L2 的額定交流電功率為 3kW 至 19kW，即充電1小時可行駛 10 至 25 英里。

?DCFC:這類充電站可在 40 分鐘內(nèi)將 EV 電池從 20% 充電至 80%，具體取決于充電站本身的額定功率（50kW 至 400kW）和車輛可充電的最大功率。

在住宅或工作場所充電，L1/L2就足夠了。但對無法長時間充電的用戶來說，DCFC 和超級充電站則是必需的，例如長途旅行中的電動汽車，其電池的全部容量都將被利用。

圖 2 顯示了在全球范圍內(nèi)用于 L1/L2 交流充電站和 DCFC充電站的不同類型連接器。DCFC 很方便，且能夠快速補(bǔ)充能量，但其高充電率會比交流充電更快使 EV 電池降級；而L1/L2則是利用了EV中的車載充電器，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電。但另一方面，DCFC 充電站中包含了所有的電力電子設(shè)備將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，可直接為汽車電池充電。

請注意，特斯拉在歐洲之外的所有市場都為其超級充電站提供專有插頭；在歐洲則提供 CCS2 連接器。

圖2: 全球EV充電站連接器

圖 3 所示為一個典型的直流快速充電站功能框圖，該電路將三相交流電壓轉(zhuǎn)換為 250V 至 800V 的直流電壓來為電動汽車充電。DCFC 充電站通常包含幾個這樣的子單元，每個子單元的功率范圍從 30kW 到 75kW。 圖中還展示出很多可以驅(qū)動直流快速充電站的解決方案，包括隔離式柵極驅(qū)動器、隔離式電源模塊、變壓器驅(qū)動器偏置和具有集成電源的數(shù)字隔離器解決方案。

圖3: DCFC子單元功能框圖

從圖 3可以看出，DCFC 系統(tǒng)通常由兩個功率轉(zhuǎn)換級組成。第一級為功率因數(shù)校正 (PFC) 級，它將來自電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為介于 800V 和 1300V 之間的中間直流電壓總線。PFC 級通常采用三相三電平整流器/逆變器拓?fù)?。這種拓?fù)涞奶厥庠谟诳梢耘c三相電網(wǎng)連接的三電平變換器。

第二級也稱為 DC/DC 級，它通過隔離式 DC/DC 變換器將中間 DC 電壓轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電壓，用于需要充電的電池。LLC 和相移全橋變換器是 DC/DC 級較為常見的拓?fù)溥x擇。

設(shè)計大功率充電站的部分挑戰(zhàn)來自于如何最大化功率密度，如何降低成本并縮小尺寸。提高效率的行業(yè)通用方法之一是用碳化硅 (SiC) FET 代替半導(dǎo)體 MOSFET/IGBT。在 DCFC 充電站功率已從 50kW 增加到 高于400kW 的今天，這種方法尤為重要。 

由于 DCFC 系統(tǒng)的高電壓和大功率特性，它需要隔離設(shè)備來保護(hù)用戶和低壓控制電路免受來自高壓電源轉(zhuǎn)換電路的潛在危害與干擾。我們可以利用附加組件來降低這種危害風(fēng)險：

?? SiC MOSFET 和 IGBT 的隔離式柵極驅(qū)動器，如 MP18831 和MP18851

?? 數(shù)字信號隔離器，如 MPQ27811 和MP27631

?? 隔離式電流采樣和電壓采樣器件，如 MCS1806 和MCS1803

請注意，隔離式柵極驅(qū)動器需要隔離式偏置電源來供電，并且柵極驅(qū)動器電源必須能夠承受高隔離電壓。 至少，柵極驅(qū)動器電源必須能夠承受中間直流總線電壓，并且必須提供低隔離電容，以最大限度地降低從高壓側(cè)到低壓側(cè)的干擾。

為柵極驅(qū)動器設(shè)計隔離式電源

MPQ18913 是一款用于隔離式偏置電源的變壓器驅(qū)動器。它可與 SiC FET 配合使用，用作 SiC 柵極驅(qū)動器的隔離式偏置電源。隔離式電源通常采用反激拓?fù)鋪硖峁└綦x式 18V/-4V 輸出，以驅(qū)動 SiC FET。圖 4 顯示了采用 MPQ18913 實現(xiàn) 18V/-4V 輸出的典型應(yīng)用電路。其輸出數(shù)量可以根據(jù)使用的變壓器進(jìn)行配置，輸出電壓也可通過匝數(shù)比進(jìn)行修改。

圖4: MPQ18913應(yīng)用電路

MPQ18913 可用作 LLC 變換器，這也是隔離式柵極驅(qū)動電源最有效的拓?fù)漕愋停ㄒ妶D 5）。該拓?fù)洳捎昧酥C振 LLC 回路，其中提供一個磁化電感用于能量傳輸，還提供額外的電容和電感，使諧振回路以特定頻率諧振。變換器利用這種諧振來實現(xiàn)軟開關(guān)并確保高效率的電源轉(zhuǎn)換。LLC 變換器的主要優(yōu)勢是變壓器產(chǎn)生的漏感可用作諧振回路中的諧振電感；這消除了由漏感引起的電壓尖峰，與反激式拓?fù)湎啾?，也提高了效率?/p>

圖5: LLC拓?fù)?/p>

以 MPQ18913 為例，與典型的 PSR 反激拓?fù)湎啾?，LLC 諧振拓?fù)渚哂袔讉€明顯的優(yōu)勢。其一，LLC 諧振拓?fù)涞拈_關(guān)頻率 ((fSW) 高達(dá) 10MHz，反激拓?fù)涞拈_關(guān)頻率則始終保持在 400kHz 以下；這使得整個LLC解決方案的尺寸比使用類似功率水平的反激式應(yīng)用縮小 了40%。其二，LLC 諧振拓?fù)涞母綦x電壓可輕松達(dá)到 5kV，而傳統(tǒng)反激式解決方案僅達(dá)到 1.5kV；因此，LLC 諧振拓?fù)淠軌驖M足更嚴(yán)格的隔離電壓要求。

表 1 對 LLC 諧振拓?fù)浜头醇な酵負(fù)溥M(jìn)行了比較。

表 1：LLC 諧振拓?fù)渑c反激式拓?fù)涞谋容^

結(jié)論

高頻 LLC 電源通常比低頻變換器更難實現(xiàn)、更難優(yōu)化。但 MPQ18913 等產(chǎn)品則通過自動諧振頻率檢測和集成晶體管等功能簡化了 LLC 電源的設(shè)計。而且，LLC 諧振拓?fù)溥€減小了解決方案尺寸，提高了大功率充電站的功率密度，非常適合電動汽車充電站應(yīng)用。隨著電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的不斷改善，在大功率充電應(yīng)用以及車載充電器、牽引逆變器和 DC/DC 變換器等汽車應(yīng)用中用于偏置 SiC FET 的 MPQ18913 值得您的關(guān)注。