在插電式電動(dòng)汽車 （PEV） 系統(tǒng)中，充電器可分為三個(gè)級(jí)別：AC Level 1 （《1.92 kW）、AC Level 2 （《19.2 kW） 和 DC Level 3 （》19.2 kW）。1由于其體積和重量，不建議在高功率 3 級(jí)系統(tǒng)中使用車載充電器。

本文將為功率高達(dá) 22 kW 的非車載非隔離式直流快速充電器提出兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該充電器的典型模塊方案包括一個(gè) AC/DC 整流器級(jí)，然后是一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。AC/DC 級(jí)通常使用單相或三相應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體取決于電網(wǎng)要求。三相選項(xiàng)提供了為電網(wǎng)接口和 DC/DC 級(jí)共享相同硬件的好處。在此處閱讀原文。

漏電流

漏電流是非隔離直流快充的典型問題。圖1中的紅線表示漏電流可以流過(guò)電網(wǎng)地和EV底盤的路徑。2，3此問題的一個(gè)常見解決方案是引入隔離式變壓器（電源轉(zhuǎn)換級(jí)）。然而，與非隔離式拓?fù)湎啾?，隔離式系統(tǒng)的成本要高得多，體積也更重/更大。此外，變壓器會(huì)造成額外的功率損耗，從而降低效率。

EV 充電系統(tǒng)中漏電流的路徑。

圖 1：EV 充電系統(tǒng)中的漏電流路徑

根據(jù) IEC 61851-1 標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)汽車充電器不強(qiáng)制使用變壓器，4如果電動(dòng)汽車系統(tǒng)中包含剩余電流裝置 （RCD），則無(wú)需額外的電氣隔離?；谏鲜鲆蛩兀ㄗh采用非隔離式直流快速充電器來(lái)解決漏電流問題，而無(wú)需使用額外的變壓器。

充電器配置

提議的充電器解決方案符合國(guó)際 （IEC） 和美國(guó)（IEEE、NEMA）標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，電源電壓為 240 V 或 400 V（三相），線路頻率為 50 Hz。在建議的直流充電器中，選擇 390 V 和 650 V 作為直流母線。

基本的兩級(jí)開關(guān)臂、Supper 和 Slower，以及 LC 濾波器構(gòu)成了建議的充電器。鑒于其高額定電流和電壓，Wolfspeed C2M0025120D SiC MOSFET 被選為電路的主要開關(guān)?？紤]到快速充電的功率級(jí)別 3 要求和設(shè)備的額定電流，為電網(wǎng)接口側(cè)選擇了32A rms額定開關(guān)臂電流。下一節(jié)解釋了選擇額定電流值 （32 A rms ） 的基本原理。

綜上所述，二級(jí)雙向非隔離直流快速充電器的設(shè)計(jì)一直基于圖2所示的配置選項(xiàng)。

快速直流充電器配置選項(xiàng)。

圖 2：快速直流充電器配置選項(xiàng)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)所提出的充電解決方案引入了單相和三相兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對(duì)于單相拓?fù)?，可以使用圖 3 中的公式確定相電流，其中U grid、I grid和α分別是單相電壓、電流和功率因數(shù)。根據(jù)這個(gè)等式，在給定功率要求和電網(wǎng)電壓的情況下，可以計(jì)算出所需的電流。

單相拓?fù)涞南嚯娏饔?jì)算。

圖 3：?jiǎn)蜗嗤負(fù)涞南嚯娏饔?jì)算

相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

兩個(gè)開關(guān)臂在 AC/DC 側(cè)組合形成一個(gè)全橋整流器。DC/DC 轉(zhuǎn)換器只需一個(gè)開關(guān)臂即可為電池提供直流電源（ 8 kW）。

非隔離單相充電器。

圖 4：非隔離單相充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與前一種情況類似，當(dāng)功率率和電網(wǎng)電壓已知時(shí)，可以確定相電流，如圖 5 所示。然后可以評(píng)估并聯(lián)開關(guān)臂的總數(shù) （32 A rms ） 。

三相拓?fù)涞墓β视?jì)算。

圖 5：三相拓?fù)涞墓β视?jì)算

在圖 6 中，顯示了相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三個(gè)開關(guān)臂構(gòu)成三相整流器的交流/直流側(cè)。三個(gè)開關(guān)臂并聯(lián)用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池提供直流電源（ 22 kW）。

非隔離式三相充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 6：非隔離式三相充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可以看出，AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共享相同的直流母線。

硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)硬件由以下部分組成：

三相逆變器板，基于六個(gè) C2M0025120D SiC MOSFET、六個(gè) CRD-001 柵極驅(qū)動(dòng)器、九個(gè)直流總線電容器 （B32774D8505K） 和一個(gè)直流電壓傳感器 （RP1215D）

組件板，基于九個(gè)三相電容器（B32774D8126K000，12 μF）、三個(gè)電壓傳感器（RP1215D）、三個(gè)電流傳感器（CKSR 25-NP）和三個(gè)功率繼電器（T9SV1K15-12）

三相平面電感器，專為非隔離式快速充電器應(yīng)用而設(shè)計(jì)

微控制器：TMS320F28377S MCU 用于為 AC/DC 轉(zhuǎn)換器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器生成 PWM 信號(hào)。

保護(hù)裝置：為了自動(dòng)切斷輸出和電池之間的連接，在電池本身和DC/DC轉(zhuǎn)換器之間安裝了一個(gè)直流斷路器（M9U21240）。在電網(wǎng)接口和 AC/DC 轉(zhuǎn)換器之間，連接了一個(gè)斷路器 （F204A-63/0.03） 和 RCD （M9F22463）。交流斷路器將防止在電網(wǎng)和接口之間流動(dòng)的交流電流發(fā)生過(guò)電流。如果電網(wǎng)漏電超過(guò)閾值，RCD 會(huì)檢測(cè)到并斷開電網(wǎng)與逆變器的連接。

AC/DC 側(cè)的對(duì)稱電路示意圖如圖 7 所示。逆變器板和元件板由高壓區(qū)域隔開，距離為 8 mm，提供 800-V 隔離。

PEV 無(wú)變壓器快速充電解決方案

圖 7：電網(wǎng)側(cè)三相充電機(jī)示意圖

除了硬件保護(hù)外，軟件保護(hù)用于在出現(xiàn)意外情況時(shí)禁用充電器。

建議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

所提出的兩種非隔離拓?fù)涠际菬o(wú)變壓器的，這大大減少了充電系統(tǒng)的空間和重量。所有組件都可以放置在一個(gè) 450 × 400 × 200-mm 的封裝中，而估計(jì)的 0.6 kW/L 功率密度顯著高于目前市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的快速充電設(shè)備。

與獨(dú)立充電器相比，所提出的拓?fù)渫ㄟ^(guò)消除變壓器造成的損耗來(lái)提高效率。圖 8 顯示了 DC/DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的評(píng)估效率。

PEV 無(wú)變壓器快速充電解決方案

圖 8：經(jīng)測(cè)試的 DC/DC 級(jí)效率

峰值效率達(dá)到99.3%，而在額定功率為22kW時(shí)，峰值效率為98.8%。額定功率下的平均效率為 98.5%。零序電流控制可以避免漏電流，因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)電容器的公共點(diǎn)連接到直流母線。泄漏電流將被限制在較低水平并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。