开发基于碳化硅的25 kW快速直流充电桩：方案概述

    在本系列文章的部分中，[1]我们介绍了电动车快速充电器的主要系统要求，概述了这种充电器开发过程的关键级，并了解到安森美(onsemi)的应用工程师团队正在开发所述的充电器。现在，在第二部分中，我们将更深入研究设计的要点，并介绍更多细节。特别是，我们将回顾可能的拓扑结构，探讨其优点和权衡，并了解系统的骨干，包括一个半桥SiC MOSFET模块。

    正如我们所了解的，电动车快速充电器通常含一个三相有源整流前端处理来自电网的AC-DC转换并应用功率因数校正(PFC)，后接一个DC-DC级提供隔离并使输出电压适应电动车电池的需要(图1)。

    图1. 一个含多个功率级的大功率快速直流充电器(左)。

    电动车快速直流充电系统的架构(右)。

    鉴于所提出的具挑战的要求和当前的市场趋势，系统工程团队考虑了几个替代方案来实现这两个转换级。，结论是在AC-DC级利用6开关有源整流器，在依赖移相调制的DC-DC级利用双有源桥(DAB)。这两种架构都支持双向功能，并有助受益于1200-V SiC模块技术，1200-V SiC模块技术是快速和超快直流充电器的基石。接下来，我们将深入研究这两个主要的功率级。

    有源整流升压级(PFC)

    3相6开关有源整流级有助于实现0.99的功率因数和低于7%的总谐波失真，这些都是商用直流充电器系统的常见要求。与T-NPC或I-NPC等3级PFC拓扑结构相比，它提供了一个高效的双向方案，而且元件数量少。总的来说，这种两级架构在实现系统要求的同时，也带来了更胜一筹的性价比。[2]

    直流链路将在800 V的高电压下运行，以减少峰值电流，从而化能效和功率密度(图2)。为此，两级架构需要1200 V的VBD功率开关。

    系统的开关频率被设定为70 kHz，以保持二次谐波低于150 kHz，这使传导辐射得到控制，并促进符合EN 55011 A类(欧盟)和FCC Part 15 A类(美国)规范(适用于连接到交流电网的系统)。其中，这些规范对注入电网的传导辐射程度设定了限值。这种方法简化了EMI滤波器的复杂性，使现成的方案成为适用的理想方案，从而达到本项目的目的。

    图2. 三相6开关拓扑结构，带有功率因数校正(PFC)

    的有源整流级，也被称为PFC级。

    双有源全桥(DC-DC)

    DAB的DC-DC级将含两个全桥、一个25千瓦的隔离变压器和一个初级侧的外部漏电感，以实现零电压开关(ZVS)(图3)。在单变压器结构中实现该转换器有利于双向运行。此外，具有单变压器的转换器的对称性有助于化功率开关的ZVS的工作范围，从而实现高能效。

    这解决了该项目面临的一个重大挑战，化宽输出电压范围(200 V至1000 V)的能效，使DC-DC的峰值目标能效达98%。该转换器的工作频率为100 kHz，这是个折衷方案，以将开关损耗以及将磁性元件的磁芯和交流损耗保持在合理的水平。

    此外，该系统将在变压器上运行磁通平衡控制，这种技术省去了在DAB移相结构中与变压器一起工作所需的笨重的串联电容器。在这快速充电器转换器中，给定50 A的高均方根(RMS)工作电流、几百伏的必要额定电压和十分之几微法的估计电容值，这种电容将在严格的要求下运行。以目前的现有技术，所有这些要求将导致一个大尺寸的电容器。因此，磁通平衡控制策略有助于减小系统的尺寸、重量和成本。

    总的来说，DAB DC-DC转换器为电动车快速充电器提供了一个全方位考虑的方案，它正在成为这新的快速充电器市场的一个典型方案。这种拓扑结构可以利用移相调制，在宽输出电压范围提供高功率和能效。此外，开发人员可充分利用他们对传统全桥移相ZVS转换器的专知，因为这两种系统之间有相似之处。

    另一种方案是CLLC谐振转换器，这是一种频率调制拓扑结构，在有限的输出电压范围内运行时，通常提供的转换器峰值能效。这种转换器是对LLC的改版，允许双向工作。然而，控制、优化和调整CLLC以实现双向功能，并在较宽的输出电压范围实现高输出功率可能会变得很麻烦，需要结合频率调制和脉冲宽度调制。

    图3. 双有源桥(DAB)DC-DC级。该系统含有两个

    全桥，中间有一个隔离变压器。

    工作电压和功率模块

    AC-DC和DC-DC级之间的直流链路将在高压(800 V)下运行，以减少电流值，从而化能效和功率密度。输出电压将在200 V至1000 V之间摆动(如前所述)。由于转换器是基于两级拓扑结构，因此需要1200-V的击穿电压开关才能在这样的电压水平上运行。

    NXH010P120MNF1半桥SiC模块(图4)含1200 V、10 mΩ SiC MOSFET，是PFC级和DC-DC转换器的骨干。该模块具有超低RDS(ON)，大大降低了导通损耗，且化的寄生电感降低开关损耗(与分立替代器件相比)。

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