如何為直流超快充電樁設(shè)計(jì)選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電時(shí)間是消費(fèi)者和企業(yè)評估購買電動汽車的一個(gè)主要考慮因素，為了縮短充電時(shí)間，業(yè)界正在轉(zhuǎn)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了電動汽?的車載充電機(jī)(OBC)，直接向電池提供更?的功率，并根據(jù)電池容量以200A-500A的額定電流進(jìn)?充電，以更高功率充電來實(shí)現(xiàn)大幅減少充電時(shí)間的目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)更快的充電，以適配更高的電動汽車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(yùn)行，這給OEM制造商帶來的挑戰(zhàn)是必須設(shè)計(jì)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(gòu)。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?各種電動汽?不斷變化的充電需求，這給DCFC和超快速充電樁設(shè)計(jì)帶來更多的復(fù)雜性。

之前我們介紹過設(shè)計(jì)直流超快充電樁方案必知的幾種常見拓?fù)?/a>，今天將繼續(xù)為大家?guī)斫诲e(cuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的詳細(xì)解析。

交錯(cuò)式DAB變換器

交錯(cuò)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）來開發(fā)60kW DAB變換器，并使?Elite Power 仿真工具來計(jì)算所有橋的功率損耗。為了實(shí)現(xiàn)360kW直流快速充電系統(tǒng)，我們可以并聯(lián)6路60kW充電系統(tǒng)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(cuò)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)額外的諧振電路來實(shí)現(xiàn)DAB諧振變換器。這些設(shè)計(jì)中主要使?LC（串聯(lián)諧振）、LLC 和 CLLC諧振電路。由于電路的對稱性，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(cè)使?兩個(gè)諧振電容，與LLC變換器相?，可以減少電容上的應(yīng)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?yàn)榉謩e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(fù)載條件下會出現(xiàn)ZVS問題，在寬輸出電壓范圍和負(fù)載條件下會出現(xiàn)效率下降。為了實(shí)現(xiàn)初級和次級橋電路的輸出電壓調(diào)節(jié)和ZVSZCS，需要實(shí)施混合調(diào)制?案。變頻運(yùn)?、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(jù)電池充電器的輸出電壓和負(fù)載范圍，可以組合兩種或三種?法進(jìn)?混合控制。由于所有電源開關(guān)均采?軟開關(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(yīng)?。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(shè)計(jì)，可以使用三相交錯(cuò)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(cuò)式三相雙有源半橋諧振變換器如圖9所?。

圖9. 交錯(cuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)被視為諧振LLC電路初級側(cè)的主要拓?fù)洌驗(yàn)樗c上?所?的整流PFC前端和兩級全橋的相腳具有相同的結(jié)構(gòu)。DNPC諧振LLC電路的工作原理可以?諧振頻率來解釋。這同樣適?于?于或低于諧振頻率。開關(guān)S2和S3以50%的占空?運(yùn)?，并有死區(qū)時(shí)間。外部開關(guān)S1與S2同時(shí)導(dǎo)通，但較早關(guān)閉以提供另一個(gè)死區(qū)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(yīng)此死區(qū)時(shí)間。

DNPC LLC電路具有復(fù)雜的換相過程，涉及多個(gè)器件。ZVS切換條件將分兩步實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)零電壓開啟。由于ZVS的復(fù)雜性，S3和S4的開啟情況不同。與兩電平LLC拓?fù)漕愃?，需要變頻控制來調(diào)節(jié)輸出電壓。可以添加相移控制或PWM占空?控制來實(shí)施混合調(diào)制控制，以在所有負(fù)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?fù)涫嵌嚯娖酵負(fù)涞牧硪环N變體，可?作 LLC 電路的初級拓?fù)洌猿惺?輸?電壓。圖11所?的SHB LLC電路具有與DNPC諧振LLC拓?fù)湎嗤闹C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(xiàn)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，可將動力電池的元器件數(shù)量減少。SHB LLC拓?fù)渚哂袃煞N?于諧振電路操作的調(diào)制?案，從?為直流電壓轉(zhuǎn)換提供更?的控制靈活性。外部開關(guān)S1和S4發(fā)?對稱調(diào)制，具有相同的信號和50%占空?，?內(nèi)部開關(guān)S3和S4與具有死區(qū)時(shí)間的其他開關(guān)互補(bǔ)。

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

在?對稱調(diào)制中，上半部和下半部總線電壓交替連接到相腳輸出，以兩倍于器件開關(guān)頻率的速度在Vbus的一半和零之間切換。兩種調(diào)制?案的諧振回路兩端的電壓也不同。?對稱調(diào)制的相腳電壓的平均值是對稱調(diào)制的相同電壓的一半。然?，?對稱調(diào)制的 相腳電壓的等效頻率是對稱調(diào)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、開關(guān)頻率范圍以及軟開關(guān)條件。

SHB電路的主要優(yōu)點(diǎn)是諧振回路兩端的激勵(lì)電壓有3個(gè)不同的電平（Vbus、0.5Vbus、0）。通過調(diào)制?案電壓具有兩個(gè)頻率。直流電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓可以通過調(diào)制進(jìn)??范圍調(diào)整。開關(guān)頻率可降低一半，以實(shí)現(xiàn)與DNPC LLC 拓?fù)湎嗤牡刃Чぷ鏖_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?fù)湎?，SBH電路的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更簡單。

結(jié)論

在評估了各種隔離式DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，安森美認(rèn)為雙有源橋變換器（ Dual Active Bridge Converter）拓?fù)涫蔷哂须p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(yīng)?中無需串聯(lián)諧振電容，安森美使用NXH010P120M3F1半橋模塊開發(fā)了25kW 直流快速充電樁參考設(shè)計(jì)以演示這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于?于100kW的設(shè)計(jì)，交錯(cuò)式DAB變換器是一種合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

DC?DC轉(zhuǎn)換的EliteSiC M3S 功率集成模塊選型表