電動汽車快速充電系統(tǒng)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率最大化

在全球范圍內(nèi)從內(nèi)燃機汽車 (ICE) 轉(zhuǎn)向電動汽車 (EV) 的條件是相應(yīng)的充電基礎(chǔ)設(shè)施取得重大進展。雖然低功率 (<15 kW) 車載充電機可以在車輛閑置期間支持家庭充電，但長途旅行和服務(wù)行業(yè)需要更快的充電速度，以對標當前汽油加油站的加油速度。為了提高充電速度，需要同時改進電池技術(shù)和充電基礎(chǔ)設(shè)施。

本指南論述了 60 kW 雙有源橋 (DAB) 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計、開發(fā)和測試，該轉(zhuǎn)換器可同時滿足電動汽車快速充電機的隔離和調(diào)節(jié)需求。此外，該設(shè)計所選擇的拓撲結(jié)構(gòu)使其能夠并聯(lián)，以實現(xiàn)高達 300 kW 的輸出功率。

隨著市場從內(nèi)燃機 (ICE) 汽車轉(zhuǎn)向電動汽車 (EV)，全球?qū)﹄妱悠嚨男枨蟪掷m(xù)增長。電池和電力電子技術(shù)的成熟使電動汽車在各種性能指標方面可以與內(nèi)燃機汽車相媲美，甚至優(yōu)于內(nèi)燃機汽車。然而，大規(guī)模推廣電動汽車的限制因素仍然是合適的充電基礎(chǔ)設(shè)施，以對標當前的內(nèi)燃機汽車解決方案，即加油。電動汽車的低功率 (<15 kW) 車載充電機 (OBC) 支持車輛閑置期間的長時間充電，例如車庫內(nèi)夜間充電。但是，這種充電機不適合長途旅行和商用車隊，對于后者，充電時間需要對標當前的內(nèi)燃機燃油加油時間。

為了滿足上述充電時間要求并進一步提高電動汽車的整體采用率，需要獨立的電動汽車快速充電機 (>50 kW)。獨立充電機可繞過車輛車載充電機，直接連接交流電網(wǎng)和車輛電池，從而建立高功率的直連。這種高功率輸出通常通過提高電壓來實現(xiàn)，以避免使用大電流電纜。雖然快速充電機可能比車載充電機大，但仍然需要提高效率和功率密度，以便大規(guī)模推廣。

2. 拓撲選擇

由于電動汽車快速充電機直接連接在交流電網(wǎng)和車輛電池之間，為了安全可靠地運行，充電機必須能隔離用戶與交流電網(wǎng)，并能對充電機輸出電壓/電流進行調(diào)節(jié)。隔離可以通過直接連接到交流電源的工頻率變壓器來實現(xiàn)。然而，對于電動汽車快速充電所需的功率水平，相應(yīng)的變壓器會大得不現(xiàn)實。碳化硅電力電子器件能夠在高開關(guān)頻率下工作，因此可以采用高頻率變壓器。與同額定功率的低頻率變壓器相比，高頻率變壓器的優(yōu)勢是尺寸明顯更小。因此，在設(shè)計中采用了高頻率變壓器。

成功的設(shè)計要求將電網(wǎng)交流電壓整流為直流母線電壓，才能連接到電池。這可以通過二極管無源整流來實現(xiàn)，或者通過采用諸如 AFE 轉(zhuǎn)換器等拓撲結(jié)構(gòu)的有源整流來實現(xiàn)。AFE 與無源整流相比具有顯著優(yōu)勢，例如可提供可調(diào)節(jié)的輸出電壓，并可實現(xiàn)雙向功率傳輸。本白皮書所述的設(shè)計假設(shè)輸入連接到 AFE-調(diào)節(jié)直流母線電壓，但在本白皮書中不對此進行論述。

有多種拓撲結(jié)構(gòu)可以與高頻率變壓器配對，以提供所需的電動汽車充電機隔離。例如串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (SRC)、LLC 和 CLLC（以其諧振槽中的元件命名）、移相全橋 (PSFB) 和雙有源橋 (DAB)[1]。出于多方面的原因，本設(shè)計選擇使用 DAB 拓撲結(jié)構(gòu)。首先，DAB 可以在各種工作條件下在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)實現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS) 操作，由此減少了系統(tǒng)的整體損耗，從而提高了效率并降低了熱管理要求。其次，該設(shè)計支持雙向運行，這對于電動汽車充電機可以反向饋送交流電網(wǎng)的車網(wǎng)互動（vehicle-to-grid）應(yīng)用至關(guān)重要。第三，DAB 可以同時滿足快速充電機的隔離和調(diào)節(jié)要求。與 AFE 配對時，整個充電機僅包括兩個級，如圖 1 所示。因此不需要為了進行最終輸出調(diào)節(jié)而包含三個級（三級充電機）。第四，DAB 拓撲結(jié)構(gòu)容易并聯(lián)提供更高的累加輸出功率。相比之下，全諧振拓撲的并聯(lián)運行可能比較困難，因為這種拓撲通常要求并聯(lián)級之間的開關(guān)頻率精確匹配。并聯(lián)運行使 DAB 設(shè)計能夠作為模塊使用，通過添加或減少并聯(lián)單元來實現(xiàn)不同的最大輸出功率額定值。

圖 1：二級電動汽車充電機架構(gòu)

3. 雙有源橋 (DAB) 轉(zhuǎn)換器工作方式

DAB 轉(zhuǎn)換器在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)均采用全橋電路，如圖 2 所示。請注意，該圖還包含其他組件，稍后將對此進行論述。兩個全橋的工作方式相同，因此僅詳細論述一次側(cè)器件，二次側(cè)器件的工作方式與此相同。所有開關(guān)位置都采用脈寬調(diào)制 (PWM) 方式工作，占空比為 50%（不包括死區(qū)時間的影響）。全橋的對角開關(guān)位置同相運行；即 

 。但兩組對角之間反相；即：

圖 2：CRD60DD12N-GMA 框圖

變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)都是這種開關(guān)方式。DAB 的功率傳輸是通過在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)之間引入相移來實現(xiàn)的，如圖 3 所示。通過控制一次側(cè)和二次側(cè)之間的相移，可以調(diào)節(jié)輸出功率，如下所示

其中 POUT 是 DAB 的輸出功率 [W]，n 是變壓器變比 [無單位]，VP 是一次側(cè)直流電壓 [V]，VS 是二次側(cè)直流電壓 [V]，

是相移 [弧度]，fsw 是開關(guān)頻率 [Hz]，Llk 是電路漏電感 [H]。當 

 =

 時，達到峰值輸出功率。值得注意的是，該控制方案僅在一次側(cè)和二次側(cè)之間引入單個相移。通過在一次側(cè)的互補對角對之間和二次側(cè)的互補對角對之間引入獨立的相移（通常稱為三重相移 (TPS) 工作方式），可以進一步改進 DAB。然而，這些改進超出了本文的范圍。

圖 3：單相移時序圖（死區(qū)時間省略）

該設(shè)計的硬件以 CAB006A12GM3T 半橋功率模塊為中心，如圖 4 所示。該模塊采用壓接技術(shù)，通過簡單的壓入操作即可輕松將模塊集成到設(shè)計中，無需通過螺栓連接端子或焊接大型銅箔。此外，該模塊采用無底板設(shè)計，省掉了模塊熱堆棧中的一個原件，因此可以提高熱性能。該模塊全部采用 SiC MOSFET，以實現(xiàn)上文所述的 SiC 電力電子器件帶來的電路級改進。最后，該模塊使用預(yù)涂熱界面材料 (TIM)，具有多項優(yōu)勢，包括：TIM 經(jīng)過專門選擇，與許多現(xiàn)成的 TIM 相比具有更高的性能；預(yù)涂意味著 TIM 始終均勻且牢固；并且 Wolfspeed 充分地體現(xiàn)了采用該 TIM 的模塊的熱性能。

圖 4：CAB006A12GM3T 功率模塊

實現(xiàn)的設(shè)計硬件如圖 5 所示。該設(shè)計使用四個 CAB006A12GM3T 半橋功率模塊在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)形成全橋電路。上述模塊直接安裝在液冷冷板上，該板連接到變壓器的兩側(cè)，也為變壓器提供冷卻。采用匝數(shù)比為 1:1、磁化電感為 248 μH、漏電感為 5 μH 的高頻率變壓器進行隔離。該設(shè)計僅依靠變壓器的漏電感來實現(xiàn) ZVS，不需要在電路中添加專用的漏電感器。

采用高性能 Wolfspeed CGD1700HB2M-UNA 柵極驅(qū)動器驅(qū)動每個半橋模塊，即使在總線電壓升高的情況下也能實現(xiàn)快速操作。柵極驅(qū)動器的每個位置均通過板載隔離式 DC-DC 電源和 Texas Instruments UCC21710 隔離式柵極驅(qū)動器集成電路進行隔離。采用 Texas Instruments TMDSCNCD28379D 通用控制器進行控制，可輕松實現(xiàn)固件定制，該設(shè)計包括集成控制器局域網(wǎng) (CAN) 接口，可與控制器進行穩(wěn)健可靠的實時通信，以實現(xiàn)反饋和控制更新。該設(shè)計還包括用于監(jiān)控輸入/輸出電壓的電壓反饋測量和用于監(jiān)控變壓器偏置電流的變壓器電流測量。

圖 5：CRD60DD12N-GMA 硬件

該系統(tǒng)在多種工作條件下進行了實驗驗證，以演示系統(tǒng)操作。在 100 kHz 的目標開關(guān)頻率下評估了各種負載條件下的性能。實驗驗證的完整參數(shù)如表 1 所示。該系統(tǒng)使用單相移開環(huán)運行。實驗測量值用于驗證所實現(xiàn)的 DAB 電路的各種性能特征。首先，在實際運行功率下驗證相移控制。使用 Wolfspeed 圖形用戶界面 (GUI) 手動控制相移，如圖 6(a) 所示。圖 6(b) 和圖 6(c) 分別顯示了一個開關(guān)位置的一次側(cè)和二次側(cè)柵源電壓 (VGS) 和漏源電壓 (VDS) 的測量值。正如預(yù)期的那樣，在 VGS 和 VDS 測量中，在一次側(cè)和二次側(cè)開關(guān)位置之間測量到了可配置的相移。

圖 6：(a) DAB 圖形用戶界面，(b) VGS 測量中的相移驗證，(c) VDS 測量中的相移驗證

其次，使用電阻器組作為系統(tǒng)負載在高功率下評估輸出調(diào)節(jié)和變壓器運行。圖 7 顯示了在  ?  = 11.6°  和 POUT = 40 kW 條件下運行的系統(tǒng)的時域測量示例。如圖 6 所示，VGS 和 VDS 相移在電路測量中也很明顯。此外，測量結(jié)果表明電路正常地將輸出電壓調(diào)節(jié)到穩(wěn)定的 800 V（目標輸出電壓）。最后，變壓器電流測量結(jié)果符合雙有源電橋電路的預(yù)期梯形特征，表明電路工作正常。

圖 7：

= 11.6° 且 POUT = 40 kW 時的時域測量示例

第三，檢查系統(tǒng)是否成功實現(xiàn) ZVS 操作。圖 8 顯示電路在 

= 18.9° 且 POUT = 60 kW（額定功率）下工作時一個開關(guān)位置的一次側(cè)和二次側(cè) VGS 和 VDS。在柵極信號命令器件導(dǎo)通之前，兩側(cè)的漏源電壓達到 0 V，確認系統(tǒng)在 ZVS 下成功運行。

圖 8：驗證零電壓開關(guān)導(dǎo)通

第四，通過改變輸出負載來評估不同輸出功率水平下的系統(tǒng)效率。實測效率如圖 9 所示。由于該系統(tǒng)使用 SiC 器件運行，因此該電路能夠在較寬的輸出功率水平范圍內(nèi)保持高效率（當 POUT ≥ 20 kW 時，效率 > 98.7%），并且電路的峰值效率達到 99.2%。在 20 kW 以下，系統(tǒng)不能再以 ZVS 方式運行，因此效率降低，這也符合預(yù)期。

圖 9：實測效率

6. 仿真

Wolfspeed 提供 Wolfspeed 產(chǎn)品組合中所有功率模塊的 Plexim PLECS? 模型，包括本 DAB 設(shè)計中的 CAB006A12GM3T。這些模型可在此處獲取?；谶@些可公開獲取的模型，開發(fā)了完整的 PLECS 仿真（如圖 10 所示）來捕獲本 DAB 設(shè)計的行為。為了檢查模型的有效性，首先在與上文所述的實驗結(jié)果相同的操作條件下進行仿真，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。例如，圖 11 顯示了 60 kW 運行期間的仿真和實驗測量一次側(cè)和二次側(cè)變壓器電流。仿真準確地捕獲了基本電路行為和實驗結(jié)果中觀察到的測量幅度。

圖 10：CRD60DD12N-GMA 仿真

圖 11：仿真驗證

如經(jīng)證明可以模擬一般電路操作，該仿真就可以用于研究各種控制策略的性能，并了解所包含的電路參數(shù)的敏感性。例如，圖 12 顯示了改變漏電感對變壓器一次側(cè)電流的影響。仿真表明，增加漏電感會增加系統(tǒng)中的變壓器一次側(cè)峰值電流。降低漏電感可降低峰值電流。仿真可用于進一步優(yōu)化組件和控制器策略。

、圖 12：變壓器漏電感仿真靈敏度分析

本白皮書介紹了一款 60 kW 雙有源橋式轉(zhuǎn)換器，其可作為電動汽車快速充電機的構(gòu)建模塊。該設(shè)計以 Wolfspeed CAB006A12GM3T 半橋功率模塊為中心。全 SiC 功率模塊采用高性能預(yù)涂熱界面材料、可提高熱性能的無基板設(shè)計以及可輕松集成的壓接引腳。本文中論述的模塊化 DAB 與有源前端配對使用時，可以輕松地實現(xiàn)多構(gòu)建模塊并聯(lián)，以將累加輸出功率擴展至高達 300 kW。本白皮書包括設(shè)計操作基礎(chǔ)知識、硬件實現(xiàn)論述、實驗驗證和仿真靈敏度分析。

參考文獻

[1] B. W. Nelson, "Wolfspeed WolfPACK? Power Module Platform: Accelerating Fast-Charger Development," Wolfspeed, 1 March 2021. [Online]. Available: https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/wolfspeed-wolfpack-power-module-platform-accelerating-fast-charger-development/  . [Accessed 7 May 2024].

（文章來源：WOLFSPEED ，作者：Chris New）