【導(dǎo)讀】充電時(shí)間是消費(fèi)者和企業(yè)評(píng)估購買電動(dòng)汽車的一個(gè)主要考慮因素，為了縮短充電時(shí)間，業(yè)界正在轉(zhuǎn)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(dòng)汽車的車載充電機(jī)(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(jìn)?充電，以更高功率充電來實(shí)現(xiàn)大幅減少充電時(shí)間的目標(biāo)。
充電時(shí)間是消費(fèi)者和企業(yè)評(píng)估購買電動(dòng)汽車的一個(gè)主要考慮因素，為了縮短充電時(shí)間，業(yè)界正在轉(zhuǎn)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(dòng)汽車的車載充電機(jī)(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(jìn)?充電，以更高功率充電來實(shí)現(xiàn)大幅減少充電時(shí)間的目標(biāo)。
正如安森美(onsemi)電源方案部執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理Simon Keeton日前在CES2024上接受采訪時(shí)所述，電動(dòng)汽車市場(chǎng)數(shù)量的不斷激增，為緩解消費(fèi)者對(duì)其里程焦慮與充電焦慮，配置雙向OBC可以實(shí)現(xiàn)快速充電，還可將電動(dòng)汽車當(dāng)作分布式儲(chǔ)能站回饋電網(wǎng)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(chǔ)設(shè)施以及儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過DCFC為電動(dòng)汽車高效充電，是實(shí)現(xiàn)可再生能源轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)，對(duì)此安森美有著一系列的創(chuàng)新技術(shù)與產(chǎn)品能夠?yàn)槠嚭献骰锇閹韮?yōu)化的解決方案。
圖片為了實(shí)現(xiàn)更快的充電，以適配更高的電動(dòng)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(yùn)行，這給OEM制造商帶來的挑戰(zhàn)是必須設(shè)計(jì)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(gòu)。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(shí)需要采?靈活的制造?法以滿?各種電動(dòng)汽車不斷變化的充電需求，這給DCFC和超快速充電樁設(shè)計(jì)帶來更多的復(fù)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(jí)交流充電樁。此外，制造商還開發(fā)了雙向2級(jí)交流充電樁以?持配備雙向OBC（功率?達(dá)11-22kW）的電動(dòng)汽車。
圖2顯?出交流充電和直流充電之間的差異，對(duì)于交流充電（圖2左側(cè)），將OBC插?標(biāo)準(zhǔn)交流插座，OBC將交流電轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹绷麟姙殡姵爻潆?。?duì)于直流充電（圖2右側(cè)），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(dāng)今的電動(dòng)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(dá)1MW）并繞過OBC直接向電池充電，這大大節(jié)省充電時(shí)間以及增加的便利性為電動(dòng)汽車帶來了更多的使用場(chǎng)景。如果電動(dòng)汽車需要八小時(shí)才能充滿電，對(duì)于?途駕駛來說則并不實(shí)?。
借助超快速充電樁，電動(dòng)汽車可以在駕駛員休息時(shí)?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(fù)合年增長率預(yù)計(jì)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(dòng)汽車的電池容量以100A-300A的速率對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，下一代直流超快充電樁可以以高達(dá)500A的大電流充電，并提供400kW的功率。另一個(gè)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(dòng)汽車和充電樁中使用NACS連接器。
事實(shí)上，為助力客戶電動(dòng)汽車直流超快速充電樁DCFC和儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS提供雙向充電功能設(shè)計(jì)，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(jí)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(jiǎn)單的冷卻機(jī)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(tái)，將為設(shè)計(jì)人員提供快速部署可靠、高效和可擴(kuò)展的直流快充網(wǎng)絡(luò)所需的所有關(guān)鍵構(gòu)建模塊，實(shí)現(xiàn)在短短15分鐘內(nèi)將電動(dòng)汽車電池充電至80%。
該系列PIM采用第三代M3S SiC MOSFET技術(shù)，提供超低的開關(guān)損耗和超高的效率，同時(shí)支持多電平T型中性點(diǎn)鉗位(TNPC)、半橋和全橋等關(guān)鍵拓?fù)?，支?5kW至100kW的可擴(kuò)展輸出功率段，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)F1和F2封裝，可選擇預(yù)涂熱界面材料(TIM)和壓接引腳，能夠?qū)崿F(xiàn)最佳熱管理，避免因過熱導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。正如Vanaparthy所強(qiáng)調(diào)的：“全面的PIM產(chǎn)品組合用于市場(chǎng)上的關(guān)鍵拓?fù)?，這使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地為直流快速充電或儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中的功率轉(zhuǎn)換級(jí)選擇合適的 PIM。此外，安森美擁有的全垂直整合碳化硅供應(yīng)鏈，不僅有助于快速擴(kuò)大產(chǎn)能，還確保了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。”
直流快速充電樁
設(shè)計(jì)DCFC充電樁時(shí)，有幾個(gè)影響架構(gòu)設(shè)計(jì)和元器件選擇的關(guān)鍵因素需要考慮：
?標(biāo)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(yùn)?，因此系統(tǒng)應(yīng)該針對(duì)對(duì)電力輸送效率影響最?的情況進(jìn)?優(yōu)化。
分立設(shè)計(jì)或功率集成模塊
分立設(shè)計(jì)提供了最?的靈活性，但需要更復(fù)雜的開發(fā)過程。?模塊化提供了許多使?分立設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)的性能優(yōu)勢(shì)。例如，模塊在單個(gè)緊湊的封裝中集成了多個(gè)功率器件，簡(jiǎn)化了機(jī)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?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可?于實(shí)現(xiàn)直流充電樁的功率因數(shù)校正(PFC)和DC?DC轉(zhuǎn)換。
本文將詳細(xì)介紹該應(yīng)?中使?的各種隔離式DC?DC拓?fù)?，DC?DC轉(zhuǎn)換常?拓?fù)淙缦拢?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
? 相移全橋
? 全橋LLC
? 變頻和相移CLLC
? 交錯(cuò)三相LLC
? 雙有源橋(DAB)
這些拓?fù)浒ú捎?50V或1200V開關(guān)和二極管的兩電平和三電平系統(tǒng)。
隔離式直流電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
由于電動(dòng)汽車電池不能接地，因此需要在電網(wǎng)和電池之間進(jìn)行電隔離，電池和電?之間的隔離可確保充電期間對(duì)電池的保護(hù)。電動(dòng)汽車DCFC的大功率DC-DC轉(zhuǎn)換必須進(jìn)?隔離，?功率快速充電樁（25kW-350kW）可采用全橋LLC拓?fù)?、相移全橋拓?fù)?、雙有源橋(DAB)和雙有源橋CLLC拓?fù)洹Ｈ珮騆LC拓?fù)浜拖嘁迫珮蛲負(fù)浒渭?jí)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?fù)涓?于雙向充電樁，超快速充電樁（400kW-1MW）通常使?串聯(lián)半橋LLC拓?fù)浠蚩焖俪潆婋娙萑娖酵負(fù)洹?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
全橋LLC拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
全橋LLC拓?fù)溆沙跫?jí)全橋電路、諧振LLC諧振回路和次級(jí)全橋整流器組成，如圖3所?。LLC變換器可在初級(jí)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，在次級(jí)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān) (ZCS)，需要變頻操作來調(diào)節(jié)輸出電壓。LLC諧振變換器使?磁化電流來實(shí)現(xiàn)ZVS，從?降低關(guān)斷損耗和變壓器損耗，建議將LLC拓?fù)?于具有固定輸?電壓的窄輸出電壓范圍的應(yīng)?，從而實(shí)現(xiàn)?效率。然?，LLC諧振變換器在輕負(fù)載條件下會(huì)遇到?ZVS操作的問題，為了?持輕負(fù)載條件和寬輸出電壓范圍，需要實(shí)施相移控制、PWM占空?控制和混合調(diào)制?案來調(diào)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(yīng)力。
圖3. 全橋LLC拓?fù)?/p>
為了實(shí)現(xiàn)更?的功率并減少諧振電容器的應(yīng)力，可使?交錯(cuò)式三相LLC諧振拓?fù)?，如圖4所?。
交錯(cuò)式三相LLC諧振變換器
交錯(cuò)式三相LLC諧振變換器通過將損耗分布在三相上來實(shí)現(xiàn)滿負(fù)載時(shí)的?效率，并減少電容器和電源開關(guān)上的應(yīng)力。然?，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電池充電至額定電壓時(shí)，會(huì)因?yàn)槌潆婋娏鳒p小導(dǎo)致充電效率較低。為了在所有負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更?的效率，需要實(shí)施切相。雙相和單相諧振變換器在 50% 負(fù)載以及低負(fù)載條件下將實(shí)現(xiàn)高效率，并在低負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。
圖4. 交錯(cuò)式三相LLC拓?fù)?/p>
相移全橋 (PSFB) 變換器
相移全橋(PSFB)變換器由初級(jí)全橋電路、諧振電感、次級(jí)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(dǎo)通損耗實(shí)現(xiàn)了初級(jí)開關(guān)的ZVS。然?，這種拓?fù)鋾?huì)對(duì)初級(jí)開關(guān)和輸出整流器產(chǎn)?明顯的關(guān)斷損耗。
圖5. 相移全橋變換器
由于變壓器次級(jí)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(huì)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(jí)，并將輸出整流器直接連接到輸出電容，就可以構(gòu)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(jí)全橋、變壓器漏感、次級(jí)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(guān)的輸出電容來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。與諧振變換器不同，DAB變換器對(duì)元件變化不太敏感。寬禁帶半導(dǎo)體的出現(xiàn)促進(jìn)了DAB變換器在雙向功率流應(yīng)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(fù)載條件下的電池充電應(yīng)用，通過與變壓器漏感和初級(jí)開關(guān)的輸出電容形成諧振電路，實(shí)現(xiàn)初級(jí)開關(guān)(安森美的EliteSiC MOSFETs)的ZVS。
次級(jí)橋式開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZCS操作，具有較低的開關(guān)損耗，但導(dǎo)通損耗較?。通過在次級(jí)橋電路中使?低RDSon EliteSiC MOSFET，可以降低導(dǎo)通損耗。與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相?，DAB變換器具有?密度、?效率、較低的元件應(yīng)力以及更小的濾波器元件。在DAB變換器中，功率流動(dòng)是通過初級(jí)和次級(jí)電壓的相移控制來實(shí)現(xiàn)的。為了提?電池充電應(yīng)?的性能，需要寬輸出電壓增益以及所有負(fù)載情況下的ZVS條件。
雙相移控制(DPS)等各種調(diào)制技術(shù)引?了初級(jí)和次級(jí)開關(guān)的占空?控制，提供了額外的?由度。DPS控制降低了所有開關(guān)器件的應(yīng)力并擴(kuò)展了所有負(fù)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(fù)載效率，同時(shí)切換到DPS控制來保護(hù)變壓器飽和，以減少在中等至最大負(fù)載條件下的循環(huán)電流，納米晶和?晶軟磁材料的應(yīng)用使得?效率變壓器能夠在?開關(guān)頻率下運(yùn)?。為了實(shí)現(xiàn)75kW及以上的?功率，可使?交錯(cuò)式DAB變換器。
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