目前正在開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車 （EV） 直流快速充電器必須滿足比當(dāng)今已安裝的充電器基礎(chǔ)更苛刻的規(guī)格。這源于兩個(gè)市場(chǎng)壓力：首先，為嵌入在最新電動(dòng)汽車中的高容量電池提供更快的充電，其次，實(shí)現(xiàn)雙向功率流，支持新的車輛到電網(wǎng)（V2G）和車輛到建筑物（V2B）應(yīng)用——隨著風(fēng)能和太陽(yáng)能等波動(dòng)來(lái)源產(chǎn)生更多能量，該技術(shù)將有助于平衡電網(wǎng)。

充電器制造商可以通過(guò)將直流快速充電器作為模塊化構(gòu)建模塊來(lái)增強(qiáng)其設(shè)計(jì)的靈活性：多個(gè)模塊可以并聯(lián)，以將功率輸出擴(kuò)展到高達(dá) 300 kW。這意味著當(dāng)多個(gè)模塊堆疊在充電器的外殼中時(shí)，模塊的功率密度成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，熱管理也是如此。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車充電器制造商已轉(zhuǎn)向碳化硅 （SiC） 電源開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)速度比同等的硅 MOSFET 或 IGBT 更快，開(kāi)關(guān)損耗要低得多。這樣可以實(shí)現(xiàn)更小的磁性元件，從而提高系統(tǒng)功率密度。SiC 技術(shù)還解決了高密度電源設(shè)計(jì)的熱問(wèn)題，因?yàn)樗裙杵骷哂懈叩男屎透叩墓ぷ鳒囟饶褪苄?，可?shí)現(xiàn)更小的散熱器，同時(shí)減少系統(tǒng)組件上的熱應(yīng)力。

一些半導(dǎo)體制造商具有向充電器制造商批量供應(yīng)SiC器件的技術(shù)能力和制造能力。領(lǐng)導(dǎo)該集團(tuán)的是英飛凌、安森美和意法半導(dǎo)體。許多電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)人員將尋求這些公司提供參考設(shè)計(jì)板，以評(píng)估各種 SiC 功率開(kāi)關(guān)的性能并評(píng)估其應(yīng)用適用性。

這些參考設(shè)計(jì)為PFC和DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)的雙向直流快速充電器提供了一些最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。了解這些拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點(diǎn)將有助于設(shè)計(jì)人員確定最適合其應(yīng)用要求的拓?fù)?。讓我們首先看一下電?dòng)汽車充電器有源前端PFC級(jí)的拓?fù)溥x擇。

直流充電器模塊的有源前端PFC級(jí)

AC/DC 級(jí)將 380 V-415 V AC 范圍內(nèi)的（正常）三相輸入轉(zhuǎn)換為約 800 V 的穩(wěn)定直流母線電壓。本文中研究的所有拓?fù)涠歼m用于雙向系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)換也將采用另一種方式，從直流到交流。

SiC 器件特別適用于基于半橋配置的雙向轉(zhuǎn)換器。通常，雙向系統(tǒng)執(zhí)行重復(fù)的硬換向。在這種情況下，硅電源開(kāi)關(guān)在器件體二極管上的反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，將導(dǎo)致高功率耗散、低效率、高熱應(yīng)力和降低系統(tǒng)可靠性。因此，雙向轉(zhuǎn)換器需要較短甚至為零的反向恢復(fù)時(shí)間，這是SiC MOSFET的一個(gè)特性（見(jiàn)圖1）。

* 圖1. 低體二極管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)于雙向轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，雙向轉(zhuǎn)換器具有半橋配置，并且暴露于重復(fù)的硬換向。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

三相雙向直流充電器的有源前端PFC級(jí)有源前端PFC級(jí)有三種拓?fù)渲档每紤]：

• 兩電平功率因數(shù)校正
• 三電平中性點(diǎn)鉗位 （NPC）/有源 NPC （ANPC）
• 三級(jí)T型鼻咽癌

* 圖2. 兩級(jí) PFC 拓?fù)?。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

兩電平 PFC 拓?fù)?/h3>

兩電平PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的六開(kāi)關(guān)升壓型整流器是一種非常簡(jiǎn)單的電路，易于控制（見(jiàn)圖2）。它有利于雙向功率流，可以以合理的效率實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。與三電平拓?fù)湎啾?，它可減少元件數(shù)量并簡(jiǎn)化PCB布局。

另一方面，它需要具有高額定電壓的開(kāi)關(guān)來(lái)阻止整個(gè)直流母線電壓。例如，800 V DC 應(yīng)用需要具有 1,200 V 阻斷能力的 SiC MOSFET。

這種拓?fù)涞牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是體積龐大的濾波電感，需要將其輸入電流下的總諧波失真（THD）降至最低。三電平拓?fù)洳恍枰敲创蟮碾姼?，可?shí)現(xiàn)更低的功率密度。

另一個(gè)需要考慮的因素是高峰值電壓應(yīng)力，這會(huì)損害半導(dǎo)體和其他無(wú)源器件的使用壽命。

最后，轉(zhuǎn)換器的EMI性能遠(yuǎn)低于下面描述的多電平PFC拓?fù)洹?/p>

三電平 NPC/ANPC PFC 拓?fù)?/h3>

在三電平NPC/ANPC拓?fù)渲?，每個(gè)開(kāi)關(guān)只需要阻斷一半的總線電壓，因此可以使用額定電壓較低的MOSFET，并且器件上的電壓應(yīng)力要低得多（見(jiàn)圖3）。這意味著這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以輕松地跨多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，以便通過(guò) SiC、GaN 和硅功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，以滿足具有不同功率、成本和效率要求的應(yīng)用的需求。

在 800 V 應(yīng)用中，可以使用額定電壓為 600 V 的 MOSFET。除了提供比 1,200V MOSFET 更低的開(kāi)關(guān)損耗外，600 V MOSFET 還可以支持更快的開(kāi)關(guān)頻率。

在NPC拓?fù)渲校敵鲭娏髦械募y波較低，輸出電壓瞬變降低50%。這降低了對(duì)濾波和隔離的要求，并允許使用更小的濾波電感。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，同時(shí)調(diào)節(jié)電流波形中THD所需的電感更少。這種多電平轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞妮敵鲭妷阂彩艿椒浅５偷母蓴_，從而最大限度地減少了器件之間的dv/dt應(yīng)力，并改善了EMI性能。

雖然NPC拓?fù)湓陂_(kāi)關(guān)頻率高于50 kHz時(shí)提供比兩電平PFC更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的效率，但它確實(shí)需要更多的開(kāi)關(guān)，并且每個(gè)開(kāi)關(guān)都需要自己的柵極驅(qū)動(dòng)電路。這意味著控制更復(fù)雜，物料清單 （BoM） 成本更高。

* 圖3. 三電平 NPC PFC 拓?fù)?。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

此外，這種拓?fù)渫瑫r(shí)使用有源半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和二極管，由此產(chǎn)生的功率級(jí)損耗分布不對(duì)稱會(huì)使熱管理變得困難。一些設(shè)計(jì)人員更喜歡更對(duì)稱的損耗分布，因此在ANPC轉(zhuǎn)換器中用有源開(kāi)關(guān)代替NPC拓?fù)涞亩O管（見(jiàn)圖4）。

在NPC和ANPC拓?fù)渲?，所有開(kāi)關(guān)上的阻斷電壓降低意味著高效氮化鎵（GaN）開(kāi)關(guān)可以提高效率和功率密度，這一點(diǎn)非常有用。

***圖4. *三電平 ANPC PFC 拓?fù)洹D片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

三電平 T 型鼻咽癌 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在三電平 T 型 NPC PFC 轉(zhuǎn)換器中，傳統(tǒng)的兩電平電壓源轉(zhuǎn)換器 （VSC） 拓?fù)?/a>通過(guò)有源雙向開(kāi)關(guān)擴(kuò)展到直流母線中點(diǎn)（參見(jiàn)圖 5）。對(duì)于 800 V 直流母線電壓，1,200 V IGBT/二極管通常在每相的高壓和低端工作，因?yàn)楸仨氉钄嗳妷?。但在T型配置中，直流母線中點(diǎn)的雙向開(kāi)關(guān)只需要阻斷一半的電壓。這意味著它可以通過(guò)低壓器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，兩個(gè)包含反并聯(lián)二極管的600 V IGBT。

由于阻斷電壓降低，中間開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗非常低，導(dǎo)通損耗也相當(dāng)可接受。與三電平 NPC 拓?fù)洳煌?，T 型 NPC 拓?fù)洳贿B接必須阻止整個(gè)直流母線電壓的串聯(lián)設(shè)備。

在NPC拓?fù)渲?，通常避免直接從正直流母線電壓到負(fù)直流母線電壓（反之亦然）的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)串聯(lián)的FET同時(shí)關(guān)閉時(shí)，它們可能會(huì)導(dǎo)致電壓份額不均勻被暫時(shí)阻塞。這種不良影響不會(huì)在 Ttype 拓?fù)渲邪l(fā)生。因此，沒(méi)有必要實(shí)施低級(jí)例程來(lái)防止這種轉(zhuǎn)換或在串聯(lián)IGBT之間提供瞬態(tài)電壓平衡。

使用單個(gè) 1,200 V 器件阻斷整個(gè)直流母線電壓的另一個(gè)好處是降低了傳導(dǎo)損耗。每當(dāng)輸出為正或負(fù)時(shí)，電路僅暴露于一個(gè)器件的正向壓降;在 NPC 拓?fù)渲?，兩個(gè)設(shè)備始終串聯(lián)連接。這大大降低了傳導(dǎo)損耗，使T型拓?fù)湓诘皖l開(kāi)關(guān)應(yīng)用中很有價(jià)值。

總體而言，導(dǎo)通損耗明顯低于NPC拓?fù)?，但由于器件?huì)阻擋全直流母線電壓，因此開(kāi)關(guān)損耗很高。因此，T型整流器最適合開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)50 kHz的應(yīng)用，而NPC拓?fù)湓诟哂?0 kHz的頻率下性能更好。

* 圖5. 三電平 T 型 NPC PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

表1比較了上述三種PFC級(jí)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。

* 表 1. PFC 拓?fù)涞墓δ苷?

直流充電器模塊的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器級(jí)

DC/DC 級(jí)是電流隔離轉(zhuǎn)換器，可將 800 V 的輸入直流母線電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流輸出電壓，以便為 EV 電池充電（繞過(guò)車輛的車載充電器，該充電器僅在連接到交流充電器時(shí)使用）。

雙向 DC/DC 級(jí)的拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)以下兩種方式之一實(shí)現(xiàn)：

• 雙主動(dòng)橋
• CLLC模式下的雙主動(dòng)橋接器

雙有源橋拓?fù)?/h3>

雙有源橋 （DAB） 轉(zhuǎn)換器由一個(gè)全橋組成，初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)都有源開(kāi)關(guān)，通過(guò)高頻變壓器連接（見(jiàn)圖 6）。由于其中一個(gè)電橋中固有的滯后電流，電流一次釋放一個(gè)電橋開(kāi)關(guān)的輸出電容。當(dāng)次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)放電時(shí)，初級(jí)側(cè)的某些開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。無(wú)損耗電容緩沖器也可在開(kāi)關(guān)兩端使用，以降低關(guān)斷損耗。

這種轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)是：

• 雙向能力，通過(guò)控制兩個(gè)電橋之間的相位角來(lái)實(shí)現(xiàn)
• 模塊化，允許將其擴(kuò)展到更高的功率水平

***圖6. *雙有源橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

在單相移調(diào)制中，DAB拓?fù)湟子诳刂?。然而，?duì)于擴(kuò)展的雙相移或三相移調(diào)制，控制方案變得復(fù)雜。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過(guò)單相移位調(diào)制覆蓋很寬的電池電壓范圍，但變壓器中的環(huán)流上升到更高的水平，從而大大降低了效率。

然而，借助三相移調(diào)制等高級(jí)調(diào)制方案，該轉(zhuǎn)換器理論上可以在整個(gè)工作范圍內(nèi)執(zhí)行零電壓開(kāi)關(guān)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸出功率與變壓器KVA額定值的比值很高。處理紋波電流所需的輸出電容也很低。

總體而言，該轉(zhuǎn)換器具有一系列吸引人的特性，非常適合功率密度、成本、重量、隔離度和可靠性是關(guān)鍵因素的應(yīng)用：

• 組件數(shù)量相對(duì)較少
• 軟開(kāi)關(guān)換向
• 低成本
• 高效率

然而，值得注意的是，DAB轉(zhuǎn)換器通常需要一個(gè)額外的勻場(chǎng)電感來(lái)支持零電壓開(kāi)關(guān)：這會(huì)增加電路尺寸并降低功率密度。

CLLC 模式下的 DAB 拓?fù)?/h3>

CLLC電路配置執(zhí)行傳統(tǒng)LLC的所有功能，但優(yōu)點(diǎn)是使用副邊的有源開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)雙向功率傳輸（見(jiàn)圖7）。

該轉(zhuǎn)換器工作在零電壓/零電流開(kāi)關(guān)模式，從而提高效率。當(dāng)有空間將總線電壓改變10%時(shí)，該轉(zhuǎn)換器可以滿足廣泛變化的電池電壓，同時(shí)保持良好的效率。然而，對(duì)于固定總線電壓，這種拓?fù)涞墓ぷ鞣秶浅Ｓ邢蕖?/p>

初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均存在電容器，消除了變壓器磁芯飽和的風(fēng)險(xiǎn)。

CLLC模式下的DAB轉(zhuǎn)換器最適合AC/DC板載充電器。它可以在高于車載充電器手柄的功率水平下使用 – 高達(dá) 15 kW。但是，擴(kuò)展到更高的功率水平和并聯(lián)可能很困難，因?yàn)樗枰叨葘?duì)稱的罐結(jié)構(gòu)和多個(gè)模塊的同步 - 這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

* 圖7. CLLC 模式下的 DAB 拓?fù)?。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

CLLC模式拓?fù)渲械腄AB和DAB通常用于800 V隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。電壓轉(zhuǎn)換比控制轉(zhuǎn)換器端子的連接，這會(huì)影響開(kāi)關(guān)所需的擊穿電壓額定值：高壓轉(zhuǎn)換器可以串聯(lián)或并聯(lián)在一個(gè)端子中，而另一個(gè)端子保持并聯(lián)連接。這意味著拓?fù)涞倪B接有四種可能的配置。

顯示了CLLC模式下DAB拓?fù)涞膬蓚€(gè)示例：圖8顯示了串聯(lián)輸入配置，圖9顯示了800 V總線電壓的并行輸入配置，輸出電壓范圍為200 V至1 kV。

串聯(lián)輸入全橋CLLC的優(yōu)點(diǎn)是其在寬輸出電壓范圍內(nèi)的諧振頻率范圍較窄，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗;這里可以使用650 V器件。但這需要對(duì)直流母線側(cè)串聯(lián)的直流母線電容電壓進(jìn)行更復(fù)雜的控制。此外，為了實(shí)現(xiàn)給定的效率，需要比使用1,200 V器件的單個(gè)全橋具有更低的導(dǎo)通電阻的器件。

在CLLC模式下，并行輸入全橋DAB轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于給定的效率，電路可以使用導(dǎo)通電阻較高的器件，同時(shí)控制方案更容易。需要寬諧振頻率范圍以支持寬輸出電壓范圍。

* 圖8. 具有串聯(lián)輸入的CLLC模式下的DAB轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

* 圖9. 具有并行輸入的 CLLC 模式下的 DAB 轉(zhuǎn)換器。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

兩種DC/DC級(jí)拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

參考設(shè)計(jì)加速直流充電器電路實(shí)施

領(lǐng)先的 SiC MOSFET 制造商提供參考設(shè)計(jì)，為新的高功率直流充電器設(shè)計(jì)提供部分或全部藍(lán)圖。

意法半導(dǎo)體STDES-PFCBIDIR 15 kW雙向PFC級(jí)轉(zhuǎn)換器采用T型NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖10）。數(shù)字控制，可在 400 V AC 和 800 V DC 之間轉(zhuǎn)換。效率幾乎達(dá)到99%。意法半導(dǎo)體優(yōu)化了無(wú)源元件的尺寸和成本，該轉(zhuǎn)換器具有高功率密度。

* 表 2. 兩種 DC/DC 級(jí)拓?fù)涞奶匦哉?

* 圖 10. 意法半導(dǎo)體的STDES-PFCBIDIR PFC參考設(shè)計(jì)以其高效率和功率密度而著稱。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

STDES-PFCBIDIR與意法半導(dǎo)體的25 kW STDES-DABBIR配對(duì)為雙向電動(dòng)汽車充電器提供了完整的解決方案。STDES-DABBIDIR 采用 ACEPACK 2 封裝，使用 SiC MOSFET 功率模塊實(shí)現(xiàn) 100 kHz 的 DAB 拓?fù)淝袚Q（參見(jiàn)圖 11）。STM32G474RE MCU執(zhí)行數(shù)字控制。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)管理軟開(kāi)關(guān)操作，以響應(yīng)負(fù)載和電壓的變化。

英飛凌REF-DAB11KIZSICSYS是一款雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)，可在CLLC模式下實(shí)現(xiàn)DAB拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖12）。它在 800 V 時(shí)提供高達(dá) 11 kW 的輸出，效率高于 97%。

該板基于英飛凌1EDC20I12AH柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的IMZ120R030M1H CoolSiC MOSFET，以低成本實(shí)現(xiàn)了高功率密度和可靠性。

* 圖 11. STDES-DABBIRIR DC/DC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)板的額定功率為 25 kW。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

***圖 12. *英飛凌 REF-DAB11KIZSICSYS 參考設(shè)計(jì)板的額定輸出功率為 11 kW。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

*圖片由 *Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

***圖 13. *英飛凌的REF-EV50KW2SICKIT實(shí)現(xiàn)了完整的DC/DC快速充電器。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

英飛凌還開(kāi)發(fā)了完整的DC/DC充電器參考設(shè)計(jì)REF-EV50KW2SICKIT，即將于2023年3月發(fā)布。該 50 kW 直流充電器子單元旨在用作堆疊式大功率充電系統(tǒng)中的模塊（見(jiàn)圖 13）。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高于 0.95 的功率因數(shù)和 96% 的最大效率。

在發(fā)布時(shí)，英飛凌將提供完全組裝的電路板，適合19英寸4U機(jī)架。還將提供電源控制卡和帶GUI的軟件。

另一個(gè)完整的DC/DC充電器設(shè)計(jì)由安森美提供。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 是一款 25 kW 充電器，采用兩電平 PFC 和 DAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 14）。

*圖片由 *Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖 14. 安森美半導(dǎo)體的SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK參考設(shè)計(jì)是一款25 kW DC/DC充電器。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 具有多個(gè)NXH010P120MNF1半橋 SiC 模塊，擊穿電壓額定值為 1,200 V。 這些 SiC 模塊以其 10 mΩ 的極低導(dǎo)通電阻和低寄生電感而著稱，可顯著降低傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。轉(zhuǎn)換操作由基于 Zynq-7000? SoC FPGA 的強(qiáng)大通用控制器板控制。輸出電壓范圍為 200 V 至 1,000 V，效率高達(dá) 96%。

多個(gè)SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK板可以堆疊在一個(gè)機(jī)柜中，以提供應(yīng)用所需的輸出功率。

優(yōu)化快速充電功能

雙向電動(dòng)汽車快速充電器的PFC和DC/DC轉(zhuǎn)換器級(jí)中的拓?fù)溥x擇使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化尺寸、成本、效率、輸出功率、組件數(shù)量和易于控制。

領(lǐng)先的 SiC 器件制造商提供的高性能參考設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)其中一些拓?fù)鋾r(shí)處于領(lǐng)先地位。