直流快速充電系統(tǒng)：通過LLC 變壓器驅動最大限度提高功率密度

在全世界都致力于實現碳中和的同時，電動汽車 (EV) 也在迅速搶占內燃機汽車的市場份額。 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充電基礎設施。

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 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備將來自電網的交流電轉換為直流電，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動直流快速充電站的解決方案，包括隔離式柵極驅動器、隔離式電源模塊、變壓器驅動器偏置和具有集成電源的數字隔離器解決方案。

圖3: DCFC子單元功能框圖

從圖 3可以看出，DCFC 系統(tǒng)通常由兩個功率轉換級組成。第一級為功率因數校正 (PFC) 級，它將來自電網的交流電壓轉換為介于 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/逆變器拓撲。這種拓撲的特殊在于可以與三相電網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 電壓轉換為目標電壓，用于需要充電的電池。LLC 和相移全橋變換器是 DC/DC 級較為常見的拓撲選擇。

設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，它需要隔離設備來保護用戶和低壓控制電路免受來自高壓電源轉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險：

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

?? 數字信號隔離器，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，隔離式柵極驅動器需要隔離式偏置電源來供電，并且柵極驅動器電源必須能夠承受高隔離電壓。 至少，柵極驅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到低壓側的干擾。

為柵極驅動器設計隔離式電源

MPQ18913 是一款用于隔離式偏置電源的變壓器驅動器。它可與 SiC FET 配合使用，用作 SiC 柵極驅動器的隔離式偏置電源。隔離式電源通常采用反激拓撲來提供隔離式 18V/-4V 輸出，以驅動 SiC FET。圖 4 顯示了采用 MPQ18913 實現 18V/-4V 輸出的典型應用電路。其輸出數量可以根據使用的變壓器進行配置，輸出電壓也可通過匝數比進行修改。

圖4: MPQ18913應用電路

MPQ18913 可用作 LLC 變換器，這也是隔離式柵極驅動電源最有效的拓撲類型（見圖 5）。該拓撲采用了諧振 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軟開關并確保高效率的電源轉換。LLC 變換器的主要優(yōu)勢是變壓器產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，與反激式拓撲相比，也提高了效率。

圖5: LLC拓撲

以 MPQ18913 為例，與典型的 PSR 反激拓撲相比，LLC 諧振拓撲具有幾個明顯的優(yōu)勢。其一，LLC 諧振拓撲的開關頻率 ((fSW) 高達 10MHz，反激拓撲的開關頻率則始終保持在 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用縮小 了40%。其二，LLC 諧振拓撲的隔離電壓可輕松達到 5kV，而傳統(tǒng)反激式解決方案僅達到 1.5kV；因此，LLC 諧振拓撲能夠滿足更嚴格的隔離電壓要求。

表 1 對 LLC 諧振拓撲和反激式拓撲進行了比較。

表 1：LLC 諧振拓撲與反激式拓撲的比較

結論

高頻 LLC 電源通常比低頻變換器更難實現、更難優(yōu)化。但 MPQ18913 等產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 電源的設計。而且，LLC 諧振拓撲還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用。隨著電動汽車充電基礎設施的不斷改善，在大功率充電應用以及車載充電器、牽引逆變器和 DC/DC 變換器等汽車應用中用于偏置 SiC FET 的 MPQ18913 值得您的關注。