如何為直流超快充電樁設(shè)計選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)

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(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汽?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。

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(shè)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(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，同時需要采?靈活的制造?法以滿?各種電動汽?不斷變化的充電需求，這給DCFC和超快速充電樁設(shè)計帶來更多的復(fù)雜性。

之前我們介紹過設(shè)計直流超快充電樁方案必知的幾種常見拓撲，今天將繼續(xù)為大家?guī)斫诲e式DAB變換器、雙有源橋諧振變換器、三電平 DNPC LLC 諧振變換器以及串聯(lián)半橋 (SHB) LLC 諧振變換器等拓撲結(jié)構(gòu)的詳細解析。

交錯式DAB變換器

交錯式DAB變換器將損耗分配到兩個變壓器并允許使?成本優(yōu)化的安森美(onsemi) EliteSiC全橋功率集成模塊。我們可以使?EliteSiC F2全橋功率集成模塊（如NXH008T120M3F2PTHG）來開發(fā)60kW DAB變換器，并使?Elite Power 仿真工具來計算所有橋的功率損耗。為了實現(xiàn)360kW直流快速充電系統(tǒng)，我們可以并聯(lián)6路60kW充電系統(tǒng)模塊。安森美建議在60kW隔離組件塊的初級和次級上實施F2全橋模塊。

圖7. 交錯式雙有源橋變換器

雙有源橋諧振變換器

對于雙向功率流，雙有源橋(DAB)諧振變換器是DAB變換器的替代解決?案。DAB變換器中添加一個額外的諧振電路來實現(xiàn)DAB諧振變換器。這些設(shè)計中主要使?LC（串聯(lián)諧振）、LLC 和 CLLC諧振電路。由于電路的對稱性，CLLC DAB變換器在兩個功率流?向上提供相同的電壓增益特性。CLLC變換器在變壓器兩側(cè)使?兩個諧振電容，與LLC變換器相?，可以減少電容上的應(yīng)力。DAB CLLC諧振變換器如圖8所?。

圖8. 雙有源橋 CLLC 諧振變換器

同DAB變換器相?，因為分別具有較小的諧振電感和較?的漏感，DAB諧振CLLC變換器中循環(huán)的?功功率較小。然?，DAB諧振變換器（LLC或CLLC）在輕負載條件下會出現(xiàn)ZVS問題，在寬輸出電壓范圍和負載條件下會出現(xiàn)效率下降。為了實現(xiàn)初級和次級橋電路的輸出電壓調(diào)節(jié)和ZVSZCS，需要實施混合調(diào)制?案。變頻運?、移相控制、PWM占空?控制和延遲關(guān)斷控制是常?的控制?法。根據(jù)電池充電器的輸出電壓和負載范圍，可以組合兩種或三種?法進?混合控制。由于所有電源開關(guān)均采?軟開關(guān)，DAB諧振變換器可提供最佳的EMI性能。

建議將EliteSiC功率集成模塊（半橋或全橋）?于?功率DAB CLLC諧振變換器應(yīng)?。建議將 NXH003P120M3F2 EliteSiC半橋功率集成模塊?于DAB諧振CLLC變換器，以提供25kW?120kW的功率。對于120kW設(shè)計，可以使用三相交錯雙有源半橋諧振變換器在三個變換器之間分配功率損耗。在初級和次級均具有集成諧振電感的變壓器將提?DAB諧振變換器的密度和效率。交錯式三相雙有源半橋諧振變換器如圖9所?。

圖9. 交錯式三相雙有源半橋CLLC諧振變換器

三電平DNPC LLC諧振變換器

三電平DNPC LLC諧振變換器由三電平半橋電路、鉗位?極管、諧振 LLC 電路和次級全橋電路組成，如圖10所?

DNPC拓撲結(jié)構(gòu)被視為諧振LLC電路初級側(cè)的主要拓撲，因為它與上?所?的整流PFC前端和兩級全橋的相腳具有相同的結(jié)構(gòu)。DNPC諧振LLC電路的工作原理可以?諧振頻率來解釋。這同樣適?于?于或低于諧振頻率。開關(guān)S2和S3以50%的占空?運?，并有死區(qū)時間。外部開關(guān)S1與S2同時導(dǎo)通，但較早關(guān)閉以提供另一個死區(qū)時間。相對于S3，此模式適?于S4。因此，S1和S4以略低于50%的占空比工作，以適應(yīng)此死區(qū)時間。

DNPC LLC電路具有復(fù)雜的換相過程，涉及多個器件。ZVS切換條件將分兩步實現(xiàn)，第一步將輸出電容從初始電壓放電?一半電壓。然后下一步放電?0V以實現(xiàn)零電壓開啟。由于ZVS的復(fù)雜性，S3和S4的開啟情況不同。與兩電平LLC拓撲類似，需要變頻控制來調(diào)節(jié)輸出電壓?？梢蕴砑酉嘁瓶刂苹騊WM占空?控制來實施混合調(diào)制控制，以在所有負載條件下保持ZVS狀態(tài)。

圖10.  3電平DNPC LLC諧振變換器

串聯(lián)半橋 (SHB) LLC諧振變換器

串聯(lián)半橋(SHB)LLC 諧振拓撲是多電平拓撲的另一種變體，可?作 LLC 電路的初級拓撲，以承受?輸?電壓。圖11所?的SHB LLC電路具有與DNPC諧振LLC拓撲相同的諧振回路和次級全橋電路。

圖11. 串聯(lián)半橋LLC諧振變換器（參考?獻5）

同DNPC LLC相腳相?，SHB LLC相腳的主要優(yōu)點是消除了兩個鉗位?極管，可將動力電池的元器件數(shù)量減少。SHB LLC拓撲具有兩種?于諧振電路操作的調(diào)制?案，從?為直流電壓轉(zhuǎn)換提供更?的控制靈活性。外部開關(guān)S1和S4發(fā)?對稱調(diào)制，具有相同的信號和50%占空?，?內(nèi)部開關(guān)S3和S4與具有死區(qū)時間的其他開關(guān)互補。

對于對稱調(diào)制，初級橋相電壓以50%占空?在Vbus和0V之間切換。對于?對稱調(diào)制，外部開關(guān)S1和S4具有25%的占空?，?內(nèi)部開關(guān)S3和S4具有75%的占空?。S1和S4的柵極信號不像對稱調(diào)制那樣同步。相反它們相移180度。該相移也適?于內(nèi)部開關(guān)S3和S4。

在?對稱調(diào)制中，上半部和下半部總線電壓交替連接到相腳輸出，以兩倍于器件開關(guān)頻率的速度在Vbus的一半和零之間切換。兩種調(diào)制?案的諧振回路兩端的電壓也不同。?對稱調(diào)制的相腳電壓的平均值是對稱調(diào)制的相同電壓的一半。然?，?對稱調(diào)制的 相腳電壓的等效頻率是對稱調(diào)制的兩倍。輸出電壓的差異影響很多??，例如輸出電壓范圍、諧振回路值、開關(guān)頻率范圍以及軟開關(guān)條件。

SHB電路的主要優(yōu)點是諧振回路兩端的激勵電壓有3個不同的電平（Vbus、0.5Vbus、0）。通過調(diào)制?案電壓具有兩個頻率。直流電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓可以通過調(diào)制進??范圍調(diào)整。開關(guān)頻率可降低一半，以實現(xiàn)與DNPC LLC 拓撲相同的等效工作開關(guān)頻率。這些功能為SHB LLC電路增加了更多靈活性，可處理寬輸?電壓或輸出電壓范圍。與DNPC拓撲相?，SBH電路的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)更簡單。

結(jié)論

在評估了各種隔離式DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)之后，安森美認為雙有源橋變換器（ Dual Active Bridge Converter）拓撲是具有雙向充電功能的更優(yōu)化解決?案。DAB變換器具有較少的元器件，且用在?功率直流快速充電樁應(yīng)?中無需串聯(lián)諧振電容，安森美使用NXH010P120M3F1半橋模塊開發(fā)了25kW 直流快速充電樁參考設(shè)計以演示這種拓撲結(jié)構(gòu)。對于?于100kW的設(shè)計，交錯式DAB變換器是一種合適的拓撲結(jié)構(gòu)。

DC?DC轉(zhuǎn)換的EliteSiC M3S 功率集成模塊選型表