【導讀】在本係列文章的第一部分中，[1]我們介紹了電動車快速充電器的主要係統要求，概述了這種充電器開發過程的關鍵級，並了解到安森美(onsemi)的de應ying用yong工gong程cheng師shi團tuan隊dui正zheng在zai開kai發fa所suo述shu的de充chong電dian器qi。現xian在zai，在zai第di二er部bu分fen中zhong，我wo們men將jiang更geng深shen入ru研yan究jiu設she計ji的de要yao點dian，並bing介jie紹shao更geng多duo細xi節jie。特te別bie是shi，我wo們men將jiang回hui顧gu可ke能neng的de拓tuo撲pu結jie構gou，探tan討tao其qi優you點dian和he權quan衡heng，並bing了le解jie係xi統tong的de骨gu幹gan

，包bao括kuo一yi個ge半ban橋qiaoSiC MOSFET模塊。

正如我們所了解的

，電動車快速充電器通常含一個三相有源整流前端處理來自電網的AC-DC轉換並應用功率因數校正(PFC)，後接一個DC-DC級提供隔離並使輸出電壓適應電動車電池的需要(圖1)。

圖1. 一個含多個功率級的大功率快速直流充電器(左)。電動車快速直流充電係統的高級架構(右)。

鑒於所提出的具挑戰的要求和當前的市場趨勢，係統工程團隊考慮了幾個替代方案來實現這兩個轉換級。最後，結論是在AC-DC級利用6開關有源整流器
，在依賴移相調製的DC-DC級利用雙有源橋(DAB)。這兩種架構都支持雙向功能，並有助受益於1200-V SiC模塊技術，1200-V SiC模塊技術是快速和超快直流充電器的基石。接下來，我們將深入研究這兩個主要的功率級。

有源整流升壓級(PFC)

3相6開關有源整流級有助於實現0.99的功率因數和低於7%的總諧波失真，這些都是商用直流充電器係統的常見要求。與T-NPC或I-NPC等3級PFC拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)相(xiang)比(bi)
，它(ta)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)高(gao)效(xiao)的(de)雙(shuang)向(xiang)方(fang)案(an)，而(er)且(qie)元(yuan)件(jian)數(shu)量(liang)少(shao)。總(zong)的(de)來(lai)說(shuo)
，這(zhe)種(zhong)兩(liang)級(ji)架(jia)構(gou)在(zai)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)要(yao)求(qiu)的(de)同(tong)時(shi)
，也(ye)帶(dai)來(lai)了(le)更(geng)勝(sheng)一(yi)籌(chou)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)。[2]

直流鏈路將在800 V的高電壓下運行，以減少峰值電流
，從而最大化能效和功率密度(圖2)。為此，兩級架構需要1200 V的VBD功率開關。

係統的開關頻率被設定為70 kHz
，以保持二次諧波低於150 kHz
，這使傳導輻射得到控製，並促進符合EN 55011 A類(歐盟)和FCC Part 15 A類(美國)規範(適用於連接到交流電網的係統)。其中，這些規範對注入電網的傳導輻射程度設定了限值。這種方法簡化了EMI濾波器的複雜性，使現成的方案成為適用的理想方案
，從而達到本項目的目的。

圖2. 三相6開關拓撲結構

，帶有功率因數校正(PFC)的有源整流級
，也被稱為PFC級。

雙有源全橋(DC-DC)

DAB的DC-DC級將含兩個全橋、一個25千瓦的隔離變壓器和一個初級側的外部漏電感
，以實現零電壓開關(ZVS)(圖3)。在單變壓器結構中實現該轉換器有利於雙向運行。此外
，具有單變壓器的轉換器的對稱性有助於最大化功率開關的ZVS的工作範圍
，從而實現高能效。

這解決了該項目麵臨的一個重大挑戰，最大化寬輸出電壓範圍(200 V至1000 V)的能效
，使DC-DC的峰值目標能效達98%。該轉換器的工作頻率為100 kHz，這是個折衷方案，以將開關損耗以及將磁性元件的磁芯和交流損耗保持在合理的水平。

此外
，該係統將在變壓器上運行磁通平衡控製，這種技術省去了在DAB移相結構中與變壓器一起工作所需的笨重的串聯電容器。在這快速充電器轉換器中，給定50 A的高均方根(RMS)工作電流、幾(ji)百(bai)伏(fu)的(de)必(bi)要(yao)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)和(he)十(shi)分(fen)之(zhi)幾(ji)微(wei)法(fa)的(de)估(gu)計(ji)電(dian)容(rong)值(zhi)

，這(zhe)種(zhong)電(dian)容(rong)將(jiang)在(zai)嚴(yan)格(ge)的(de)要(yao)求(qiu)下(xia)運(yun)行(xing)。以(yi)目(mu)前(qian)的(de)現(xian)有(you)技(ji)術(shu)
，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)將(jiang)導(dao)致(zhi)一(yi)個(ge)大(da)尺(chi)寸(cun)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)。因(yin)此(ci)，磁(ci)通(tong)平(ping)衡(heng)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)有(you)助(zhu)於(yu)減(jian)小(xiao)係(xi)統(tong)的(de)尺(chi)寸(cun)、重量和成本。

總的來說

，DAB DC-DCzhuanhuanqiweidiandongchekuaisuchongdianqitigongleyigequanfangweikaolvdefangan

，tazhengzaichengweizhexindekuaisuchongdianqishichangdeyigedianxingfangan。zhezhongtuopujiegoukeyiliyongyixiangtiaozhi，zaikuanshuchudianyafanweitigonggaogonglvhenengxiao。ciwai
，kaifarenyuankechongfenliyongtamenduichuantongquanqiaoyixiangZVS轉換器的專知，因為這兩種係統之間有相似之處。

另一種方案是CLLC諧振轉換器
，這是一種頻率調製拓撲結構
，在有限的輸出電壓範圍內運行時，通常提供最高的轉換器峰值能效。這種轉換器是對LLC的改版，允許雙向工作。然而，控製、優化和調整CLLC以實現雙向功能，並在較寬的輸出電壓範圍實現高輸出功率可能會變得很麻煩，需要結合頻率調製和脈衝寬度調製。

圖3. 雙有源橋(DAB)DC-DC級。該係統含有兩個全橋，中間有一個隔離變壓器。

工作電壓和功率模塊

AC-DC和DC-DC級之間的直流鏈路將在高壓(800 V)下運行，以減少電流值
，從而最大化能效和功率密度。輸出電壓將在200 V至1000 V之間擺動(如前所述)。由於轉換器是基於兩級拓撲結構，因此需要1200-V的擊穿電壓開關才能在這樣的電壓水平上運行。

NXH010P120MNF1半橋SiC模塊(圖4)含1200 V、10 mΩ SiC MOSFET，是PFC級和DC-DC轉換器的骨幹。該模塊具有超低RDS(ON)，大大降低了導通損耗，且最小化的寄生電感降低開關損耗(與分立替代器件相比)。

圖4. NXH010P120MNF1 SiC模塊采用2-PACK半橋拓撲結構和1200-V、10-mΩ SiC MOSFET，用於實現AC-DC和DC-DC轉換器。

功率模塊封裝的卓越導熱性提高了功率密度(相對於分立SiC器件)
，減少了冷卻需求

，並實現了小占位和強固的方案。SiC模塊成為一個重要元素，可在緊湊型和輕型係統的AC-DC和DC-DC級中分別實現>98%的能效。

此外
，模塊賦能磁性元件縮減尺寸，適用於更高開關頻率，而減少的冷卻基礎架構要求有利於降低整個係統的每瓦成本。在25千瓦的電動車直流充電樁功率級中，在SiCmokuaishangshiyongjiyufengshandezhudonglengque，yingzuyiyouxiaodijianshaoxitongzhongdesunhao。dianrongqihecixingyuanjiandexuanzezhizaizuidaxiandudijianshaoqilengqueyaoqiu，tongshimanzujishuguifan。

控製模式和策略

數字控製將運行係統，依靠強大的通用控製板(UCB)

，[3]它采用Zynq-7000 SoC FPGA和基於ARM的芯片。這樣一個多功能的控製單元有助於測試和輕鬆運行數字領域的多種控製方法——如單相移位、擴相移位和雙相移位，以及DAB變壓器上的磁通平衡——並處理所有板載和外部通信。將使用兩個UCB單元，一個用於PFC級，另一個用於DC-DC。

驅動器

門極驅動器對整個係統的性能和能效也至關重要。為了充分利用SiC技術，必須高效地驅動SiC MOSFET並確保快速轉換。與矽基器件不同，SiC MOSFET通常工作在線性區域(而不是飽和狀態)。在選擇適當的VGS時需要考慮的一個重要方麵是
，與矽基器件不同，當VGS增加時，即使在相對較高的電壓下，SiC MOSFET也仍會表現出RDS(ON)的顯著改善。[4]

為了確保最低的RDS(ON)
，並大大減少導通損耗，建議導通時使用+20 V的VGS。對於關斷，建議使用-5 V，這樣可以減少“關斷”過渡期間的損耗，並提高魯棒性，防止意外導通。

此外，高驅動電流是必要的，以實現適合SiC MOSFET的高dV/dt
，這也有助於最小化開關損耗。考慮到這一點，PFC和dc-dc級選用NCD57000 5-kV電隔離大電流驅動器。

該單通道芯片確保了快速開關轉換

，源/汲電流+4-A和-6-A，並耐用，顯示出高共模瞬態抗擾度(CMTI)。由於采用了分立式輸出，導通和關斷的門極電阻是獨立的(圖5)，允許單獨優化導通和關斷的dV/dt值並減少損耗。

圖5. 帶有DESAT保護和分立輸出的隔離門極驅動器的簡化應用原理圖。

此外，片上的DESAT功能對於確保SiC晶體管所需的快速過流保護非常有利，其特點是短路耐受時間比IGBT更短。下橋驅動係統將複製上橋驅動係統
，這是用於快速開關係統的高功率應用中經驗證的好的做法。

隔離和電路的對稱性(上橋和下橋)有助於防止來自不同來源的問題(EMI
、噪聲、瞬態等)，從而實現一個更強固的係統。+20-V和-5-V隔離偏置電源將由SECO-LVDCDC3064-SiC-GEVB提供，具有工業標準的引腳布局。

關鍵物料單

表1概述了將用於設計的關鍵半導體元件和功能塊。

表1. 25-kW電動車直流充電樁中采用的關鍵半導體元器件

整合一切

圖6顯示了上麵介紹的所有係統器件如何在實際設計中組合在一起以提供一個完整的方案。圖7讓您很好地了解實際硬件的外觀。

PFC級位於DC-DC級的頂部，形成了一個緊湊而全麵的結構。這些模塊的整體尺寸加起來最大為380×345×(200至270)毫米(長×寬×高)，高度隨封裝的電感器件而異。最終
，這些25千瓦的單元可以堆疊在一起
，在一個超快速的電動車直流充電樁中實現更高的功率水平。

後續部分簡介

在本係列文章的後續部分

，我們將進一步詳細討論三相PFC級和DAB移相轉換器的開發
，包括仿真和其他係統考量。最後將展示測試結果。

圖6. 25 kW電動車直流充電樁的高級框圖

圖7. 實際PFC(左)和dc-dc(右)級的3D模型。SiC模塊位於每個散熱器下麵。在這些模型中，可以看到門極驅動電源
、通用控製器板(UCB)和無源塊。這些組件的其他視圖可以在以下在線視頻中看到。

掃描二維碼觀看視頻

參考文獻

1. “Developing A 25-kW SiC-Based Fast DC Charger (Part 1): The EV Application” by Oriol Filló, Karol Rendek, Stefan Kosterec, Daniel Pruna, Dionisis Voglitsis, Rachit Kumar and Ali Husain, How2Power Today, April 2021.

2. “Demystifying Three-Phase PFC Topologies” by Didier Balocco, How2Power Today, February 2021.

3. SECO-TE0716-GEVB product page.

4. ON Semiconductor Gen 1 1200 V SiC MOSFETs & Modules: Characteristics and Driving Recommendations,” application note AND90103/D.

5. NXH010P120MNF1: SiC Module product page.

6. NCD57000 product page. 

7. SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB product page.

8. NCD98011 product page.

9. NCID9211 product page.

10. NCS21xR product page.

11. SECO-HVDCDC1362-15W15V-GEVB product page.

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

為您揭秘下一代智能電表是如何工作的！

磁懸浮軸承——電力電子在高速旋轉機械領域的應用

在當今高壓半導體器件上執行擊穿電壓和漏流測量

擔心柵極驅動器的絕緣能力？采用'BIER'測試吧

談一談電源係統噪聲來源