直流超快充電樁方案設計必知的常見拓撲解析

充電時間是消費者和企業(yè)評估購買電動汽車的一個主要考慮因素，為了縮短充電時間，業(yè)界正在轉向直流快速充電樁(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車的車載充電機(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?充電，以更高功率充電來實現(xiàn)大幅減少充電時間的目標。

正如安森美(onsemi)電源方案部執(zhí)行副總裁兼總經理Simon Keeton日前在CES2024上接受采訪時所述，電動汽車市場數(shù)量的不斷激增，為緩解消費者對其里程焦慮與充電焦慮，配置雙向OBC可以實現(xiàn)快速充電，還可將電動汽車當作分布式儲能站回饋電網幫助消峰填谷，是一種頗具成本效益的方法。此外，他還表示從化石能源到光伏等新型能源基礎設施以及儲能系統(tǒng)，通過DCFC為電動汽車高效充電，是實現(xiàn)可再生能源轉型的大趨勢，對此安森美有著一系列的創(chuàng)新技術與產品能夠為汽車合作伙伴帶來優(yōu)化的解決方案。

圖片為了實現(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行，這給OEM制造商帶來的挑戰(zhàn)是必須設計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。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，同時需要采?靈活的制造?法以滿?各種電動汽車不斷變化的充電需求，這給DCFC和超快速充電樁設計帶來更多的復雜性。

圖1. 直流快速充電樁主要模塊概覽

不同的制造商可提供額定電流為40A、48A和80A的商用2級交流充電樁。此外，制造商還開發(fā)了雙向2級交流充電樁以?持配備雙向OBC（功率?達11-22kW）的電動汽車。

圖2顯?出交流充電和直流充電之間的差異，對于交流充電（圖2左側），將OBC插?標準交流插座，OBC將交流電轉換為適當?shù)闹绷麟姙殡姵爻潆?。對于直流充電（圖2右側），充電樁直接給電池充電。

圖2. 交流充電和直流充電概念圖。資料來源：Yolé Development

當今的電動汽車配備了最?額定功率為22kW的依靠交流充電的OBC，而直流充電可提供更?的功率（通常為25kW-400kW，在某些情況下?達1MW）并繞過OBC直接向電池充電，這大大節(jié)省充電時間以及增加的便利性為電動汽車帶來了更多的使用場景。如果電動汽車需要八小時才能充滿電，對于?途駕駛來說則并不實?。

借助超快速充電樁，電動汽車可以在駕駛員休息時?量充電，從?增加?輛通?性。因此，到2030年，快速和超快速直流充電樁的復合年增長率預計將超過30%以上（來源：Yolé Development）。

?多數(shù)新型DCFC充電樁均采?雙CCS連接器和24英尺長電纜來開發(fā)，可根據(jù)電動汽車的電池容量以100A-300A的速率對電動汽車進行充電，下一代直流超快充電樁可以以高達500A的大電流充電，并提供400kW的功率。另一個例子是特斯拉充電樁，在其135kW和350kW充電站中使用專用的NACS連接器。福特、通用汽車、Rivian和其他充電樁制造商如ChargePoint、EVGo、Triump和Blink都支持在未來的電動汽車和充電樁中使用NACS連接器。

事實上，為助力客戶電動汽車直流超快速充電樁DCFC和儲能系統(tǒng)ESS提供雙向充電功能設計，在前不久的一次采訪中，安森美電源方案事業(yè)群工業(yè)方案部高級總監(jiān)Sravan Vanaparthy提到安森美已推出了九款全新EliteSiC功率集成模塊(PIM)，基于碳化硅的解決方案將具備更高的效率和更簡單的冷卻機制，顯著降低系統(tǒng)成本，與傳統(tǒng)的硅基IGBT解決方案相比，尺寸最多可減小40%，重量最多可減輕52%。這更緊湊、更輕的充電平臺，將為設計人員提供快速部署可靠、高效和可擴展的直流快充網絡所需的所有關鍵構建模塊，實現(xiàn)在短短15分鐘內將電動汽車電池充電至80%。

該系列PIM采用第三代M3S SiC MOSFET技術，提供超低的開關損耗和超高的效率，同時支持多電平T型中性點鉗位(TNPC)、半橋和全橋等關鍵拓撲，支持25kW至100kW的可擴展輸出功率段，采用行業(yè)標準F1和F2封裝，可選擇預涂熱界面材料(TIM)和壓接引腳，能夠實現(xiàn)最佳熱管理，避免因過熱導致的系統(tǒng)故障。正如Vanaparthy所強調的：“全面的PIM產品組合用于市場上的關鍵拓撲，這使設計人員能夠靈活地為直流快速充電或儲能系統(tǒng)應用中的功率轉換級選擇合適的 PIM。此外，安森美擁有的全垂直整合碳化硅供應鏈，不僅有助于快速擴大產能，還確保了產品的質量和可靠性。”

直流快速充電樁

設計DCFC充電樁時，有幾個影響架構設計和元器件選擇的關鍵因素需要考慮：

?標效率
首先，確定需要優(yōu)化效率的電壓和功率范圍?常重要。由于充電樁在充電過程中以不同的功率運?，因此系統(tǒng)應該針對對電力輸送效率影響最?的情況進?優(yōu)化。

分立設計或功率集成模塊

分立設計提供了最?的靈活性，但需要更復雜的開發(fā)過程。?模塊化提供了許多使?分立設計難以實現(xiàn)的性能優(yōu)勢。例如，模塊在單個緊湊的封裝中集成了多個功率器件，簡化了機械裝配，優(yōu)化了熱管理，提高了可靠性，并降低了電壓尖峰和高頻電磁干擾（EMI）。

電路拓撲

所選擇的拓撲結構（即兩電平或三電平）以及充電樁是否需要單向或雙向供電將最終影響元器件的選擇，有許多拓撲結構可?于實現(xiàn)直流充電樁的功率因數(shù)校正(PFC)和DC?DC轉換。
本文將詳細介紹該應?中使?的各種隔離式DC?DC拓撲，DC?DC轉換常?拓撲如下：

? 相移全橋
? 全橋LLC
? 變頻和相移CLLC
? 交錯三相LLC
? 雙有源橋(DAB)

這些拓撲包括采用650V或1200V開關和二極管的兩電平和三電平系統(tǒng)。

隔離式直流電壓轉換拓撲

由于電動汽車電池不能接地，因此需要在電網和電池之間進行電隔離，電池和電?之間的隔離可確保充電期間對電池的保護。電動汽車DCFC的大功率DC-DC轉換必須進?隔離，?功率快速充電樁（25kW-350kW）可采用全橋LLC拓撲、相移全橋拓撲、雙有源橋(DAB)和雙有源橋CLLC拓撲。全橋LLC拓撲和相移全橋拓撲包含次級全橋整流器。

這些通常?于單向充電樁，雙有源橋和雙有源橋CLLC拓撲更常?于雙向充電樁，超快速充電樁（400kW-1MW）通常使?串聯(lián)半橋LLC拓撲或快速充電電容三電平拓撲。

全橋LLC拓撲

全橋LLC拓撲由初級全橋電路、諧振LLC諧振回路和次級全橋整流器組成，如圖3所?。LLC變換器可在初級實現(xiàn)零電壓開關 (ZVS)，在次級實現(xiàn)零電流開關 (ZCS)，需要變頻操作來調節(jié)輸出電壓。LLC諧振變換器使?磁化電流來實現(xiàn)ZVS，從?降低關斷損耗和變壓器損耗，建議將LLC拓撲?于具有固定輸?電壓的窄輸出電壓范圍的應?，從而實現(xiàn)?效率。然?，LLC諧振變換器在輕負載條件下會遇到?ZVS操作的問題，為了?持輕負載條件和寬輸出電壓范圍，需要實施相移控制、PWM占空?控制和混合調制?案來調節(jié)輸出電壓。LLC變換器中的諧振電容器需要在?功率和?輸?電壓下承受?電壓應力。

圖3. 全橋LLC拓撲

為了實現(xiàn)更?的功率并減少諧振電容器的應力，可使?交錯式三相LLC諧振拓撲，如圖4所?。

交錯式三相LLC諧振變換器

交錯式三相LLC諧振變換器通過將損耗分布在三相上來實現(xiàn)滿負載時的?效率，并減少電容器和電源開關上的應力。然?，這種拓撲結構在電池充電至額定電壓時，會因為充電電流減小導致充電效率較低。為了在所有負載條件下實現(xiàn)更?的效率，需要實施切相。雙相和單相諧振變換器在 50% 負載以及低負載條件下將實現(xiàn)高效率，并在低負載條件下實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)。

圖4. 交錯式三相LLC拓撲

相移全橋 (PSFB) 變換器

相移全橋(PSFB)變換器由初級全橋電路、諧振電感、次級整流橋和LC濾波器組成，如圖5所?。PSFB變換器通過相移控制和零導通損耗實現(xiàn)了初級開關的ZVS。然?，這種拓撲會對初級開關和輸出整流器產?明顯的關斷損耗。

圖5. 相移全橋變換器

由于變壓器次級漏感、輸出?極管電容和輸出濾波電感之間的諧振，輸出?極管會受到?壓振鈴的影響。為了減少輸出?極管的電壓過沖，需要采?有源或?源緩沖器。

通過將輸出電感移到初級，并將輸出整流器直接連接到輸出電容，就可以構成電流饋電移相全橋電路，這種?法減少了輸出?極管的過沖并減少了振鈴。電流饋電PSFB變換器適用于高效充電高壓電池。

雙有源橋變換器

雙有源橋變換器(DAB)由初級全橋、變壓器漏感、次級全橋和濾波電容組成，如圖6所?。DAB變換器不需要串聯(lián)電容和電感等額外的諧振元件，?是使?變壓器漏感和功率開關的輸出電容來實現(xiàn)軟開關。與諧振變換器不同，DAB變換器對元件變化不太敏感。寬禁帶半導體的出現(xiàn)促進了DAB變換器在雙向功率流應用中的普及。

圖6. 雙有源橋變換器

DAB變換器適用于寬輸出電壓范圍和負載條件下的電池充電應用，通過與變壓器漏感和初級開關的輸出電容形成諧振電路，實現(xiàn)初級開關(安森美的EliteSiC MOSFETs)的ZVS。

次級橋式開關實現(xiàn)ZCS操作，具有較低的開關損耗，但導通損耗較?。通過在次級橋電路中使?低RDSon EliteSiC MOSFET，可以降低導通損耗。與其他拓撲結構相?，DAB變換器具有?密度、?效率、較低的元件應力以及更小的濾波器元件。在DAB變換器中，功率流動是通過初級和次級電壓的相移控制來實現(xiàn)的。為了提?電池充電應?的性能，需要寬輸出電壓增益以及所有負載情況下的ZVS條件。

雙相移控制(DPS)等各種調制技術引?了初級和次級開關的占空?控制，提供了額外的?由度。DPS控制降低了所有開關器件的應力并擴展了所有負載情況下的ZVS范圍。三相移(TPS)控制將提供額外的?由度來提?輕負載效率，同時切換到DPS控制來保護變壓器飽和，以減少在中等至最大負載條件下的循環(huán)電流，納米晶和?晶軟磁材料的應用使得?效率變壓器能夠在?開關頻率下運?。為了實現(xiàn)75kW及以上的?功率，可使?交錯式DAB變換器。

下篇：如何為直流超快充 電樁設計選擇合適的拓撲結構