電動汽車直流快充方案介紹
越來越多的電動汽車（EV）充電樁和充電站如雨后春筍，出現在高度公路、城鎮小路，車道和小區里。當充電變得越來越方便，電動汽車的車主們開始更加關注充電設備的可靠性和與充電有關的能源成本問題上。針對這一問題設備供應商必須迅速做出反應。要想純電動汽車更容易的被大眾接受，工程師必須找到方法來增大充電器功率從而更快速地充電，另一方面也要提高充電設備的可靠性和充電效率，從而滿足大眾對設備長期高效運行的需求。
作者：Vincotech 德國技術市場經理Matthias Tauer
Vincotech中國技術支持經理陳道杰
背景介紹
家用固定EV充電器的功率通常限于居住區配電網所支配的22千瓦，商業充電站可直接通過低頻變壓器連接到公共中壓配電網，從而將功率提高到100千瓦及以上。本文討論的重點是后者，即商業充電站。
隨著國家政策對新能源汽車（EV）行業的支持，EV發展日新月異，商業充電站的開發必須緊跟新能源汽車發展的趨勢。綜合現在市場上的信息，可以看到：
為了支持持續增加的續航里程要求，新的電池組能量越來越高，從早期的40kWh到目前的60kWh以上；
充電時間要求越來越短，從早期的40分鐘到未來的12分鐘，甚至10分鐘以內；
為了滿足上面兩方面需要，越來越多的EV廠家把電池組的電壓從400V升高到800V左右，從而限制電池組電流；
可以看到對于未來EV商業充電站來說，一方面單體大功率300-350kW充電機需求越來越普遍，另一方面寬電壓輸出范圍的充電器將是一個新的需求。
系統介紹
快速充電器通常由電力電子、控制電路、與BMS（電池管理系統）和用戶接口組成。電力電子部分目前主要用到的系統結構由兩種，一種是基于高頻變壓器隔離的方案，見圖1。三相電網輸入接有源PFC，整流成高壓800V直流電壓，再經過LLC軟開關隔離，整流輸出電壓給EV的電池組充電。優點是體積小，重量輕；缺點是功率變換單元較多，控制復雜，效率低。
圖1： 基于高頻變壓器的充電器方案
另一種是基于工頻變壓器隔離的方案，如圖2。三相電網先經過工頻變壓器隔離，再接有源PFC，整流成高壓直流電壓，后級接buck/boost電路，輸出給EV電池組充電。優點是效率高，拓撲結構簡單；缺點是體積大，重量重。
圖2： 基于工頻變壓器的充電器方案
接下來我們分別針對不同變換單元做方案介紹和對比：
三相功率因數校正（PFC）：
考慮到大功率充電器突然切入電網，會造成電網諧波污染和功率因數下降，商業充電器一般都會在電網側引入PFC，從而控制輸入電流，使其與電網電壓成正弦相位。圖3前三個描繪了常用三相PFC電路，分別為維也納整流PFC（Vienna Rectifier），對稱PFC（SPFC），中心升壓PFC（NPFC）；最后一個叫ANPFC，是Vincotech公司專利拓撲，融合了SPFC和NPFC的優勢，其中“A”在ANPFC代表先進的（Advanced），表明它是一種改進的中心升壓Boost PFC（NPFC）。
圖3：PFC拓撲介紹
兩個半導體開關T13、T14控制電流走向，它們是同步切換的，所以T13、T14可以共享一個驅動信號，即ANPFC只需要一個柵極驅動電路和一個輔助驅動電源，這是ANPFC相對于SPFC的優點。相對于NPFC，ANPFC使用了兩個650V的二極管取代一個1200V二極管，效率得到大大提高。相對于廣泛使用的Vienna Rectifier，ANPFC的效率提高了15%。具體效率的比較請參考圖4，直流電壓和GND之間的電壓范圍可達400伏，直流輸出電壓和DC電壓高達800伏。
圖4: Vienna rectifier, SPFC, NPFC和ANPFC效率比較
DC/DC轉換器：
DC / DC轉換器提供電壓隔離，并根據電池狀態調整輸出電壓和功率為電池充電。一般電池充電分三個階段，開始恒流，其次是恒定功率，并結束于電池電壓的跟蹤控制，即恒壓控制。
諧振式DC/DC變換器已經在電信和服務器電源中使用了很多年，典型拓撲包括零電壓開關移相轉換器（ZVS）和LLC諧振轉換器。兩者都支持零電壓半導體導通，這有助于減少開關損耗和電磁干擾（EMI）。LLC諧振變換器能實現零電流關斷（ZCS），且即使在輕載下仍保持零電壓開關的優點，因此相對效率更高。這也是工程師們在充電機設計中更喜歡使用LLC諧振變換器的原因。如果主變壓器有一個鐵氧體磁芯，磁芯和繞組最佳工作點一般在滿載110kHz左右。1200 V的硅半導體器件很難在這么高的開關頻率下實現較高的效率。雖然1200V SiC MOSFET是一種選擇，但成本遠遠高于標準的硅解決方案。另一選擇是使用PFC環節的中心點，把直流母線800V電壓分成兩個400V，每個400V電壓就可以使用高頻的650V MOSFET或IGBT來實現，拓撲結構如圖5所示。
圖5：雙H橋DC/DC變換器
下面的圖6和7比較了LLC軟開關模式下單橋1200伏SiC MOSFET和雙橋650V IGBT和650V MOSFET在滿載25kW下的效率和成本對比。對比晶圓使用了20mohm SiC MOSFET，100A IGBT和20mohm MOSFET。
圖6: DC/DC轉換器模塊的效率比較
圖7: DC/DC轉換器模塊的成本比較與不同的芯片技術
單橋1200V SiC MOSFET效率最高，但成本也是最高的；650 V快速切換IGBT雙H橋的效率和MOSFET幾乎是一樣的，但成本便宜很多?？傮w來說，基于IGBT的雙H橋是性價比最高的。
方案推薦
下面的圖8描述了完整的基于三相ANPFC和雙H橋LLC的充電器電路，至少使用了20種高功率半導體器件。
圖8:三相充電器的應用
如果使用分立器件，在設計和安裝上會復雜很多，帶來很多可靠性方面的問題。相反如果使用功率模塊設計，可以很容易優化回路設計，降低回路寄生電感，從而降低器件關斷電壓尖峰，減少開關損耗；另外，模塊內部可以并聯多個裸芯片，很容易實現更高的功率輸出，方便PCB布局和機械結構設計；功率模塊是經過絕緣認證并且出廠100%做絕緣檢測的，從而有效避免單管使用過程中經常碰到的絕緣不良問題；最重要的是，功率模塊設計可以使得PCB板上控制電路和散熱器的風道完全隔離，即風道隔離設計，確保從風道中進入的灰塵和腐蝕氣體不會進入PCB控制電路中，具體見圖9。
圖9: 基于功率模塊的散熱設計
參考文獻
Matthias Tauer. Stationary Chargers for Evs When Cost and Performance Matters. Vincotech Germany 2017
陳道杰，Michael Frisch和Erno Temesi. 新型低寄生電感模塊的設計[J].電力電子技術, 2011,45(11):128 Chen Dao-jie, Michael Frisch and Erno Temesi. Power Module With Additional Low Inductive Current Path[J]. Power Electronics, 2011,45(11):128
Michael Frisch and Erno Temesi. Innovative Topologies for High Efficient Solar Applications. Vincotech Germany and Hungary 2009