设计直流超快充电桩方案必知的几种常见拓扑

2024-03-05

充电时间是消费者和企业评估购买电动汽车的一个主要考虑因素,为了缩短充电时间,业界正在转向直流快速充电桩(DCFC)和超快速充电桩。超快速DCFC和超快速充电桩绕过了电动汽⻋的车载充电机(OBC),直接向电池提供更⾼的功率,并根据电池容量以200A-500A的额定电流进⾏充电,以更高功率充电来实现大幅减少充电时间的目标。设计直流超快充电桩方案必知的几种常见拓扑 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

为了实现更快的充电,以适配更高的电动汽车电池电压并提高整体功率效率,DCFC必须在更高的电压和功率水平下运行,这给OEM制造商带来的挑战是必须设计一种能在不影响可靠性或安全性的情况下优化效率的架构。由于DCFC和超快充电桩集成了各种元器件,包括辅助电源、传感、电源管理、连接和通信器件,同时需要采⽤灵活的制造⽅法以满⾜各种电动汽⻋不断变化的充电需求,这给DCFC和超快速充电桩设计带来更多的复杂性。

之前我们介绍过设计直流超快充电桩方案必知的几种常见拓扑,今天将继续为大家带来交错式DAB变换器双有源桥谐振变换器三电平 DNPC LLC 谐振变换器以及串联半桥 (SHB) LLC 谐振变换器等拓扑结构的详细解析。

交错式DAB变换器

交错式DAB变换器将损耗分配到两个变压器并允许使⽤成本优化的安森美(onsemi) EliteSiC全桥功率集成模块。我们可以使⽤EliteSiC F2全桥功率集成模块(如NXH008T120M3F2PTHG)来开发60kW DAB变换器,并使⽤Elite Power 仿真工具来计算所有桥的功率损耗。为了实现360kW直流快速充电系统,我们可以并联6路60kW充电系统模块。安森美建议在60kW隔离组件块的初级和次级上实施F2全桥模块。

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图7. 交错式双有源桥变换器

双有源桥谐振变换器

对于双向功率流,双有源桥(DAB)谐振变换器是DAB变换器的替代解决⽅案。DAB变换器中添加一个额外的谐振电路来实现DAB谐振变换器。这些设计中主要使⽤LC(串联谐振)、LLC 和 CLLC谐振电路。由于电路的对称性,CLLC DAB变换器在两个功率流⽅向上提供相同的电压增益特性。CLLC变换器在变压器两侧使⽤两个谐振电容,与LLC变换器相⽐,可以减少电容上的应力。DAB CLLC谐振变换器如图8所⽰。设计直流超快充电桩方案必知的几种常见拓扑 (https://ic.work/) 电源管理 第2张

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图8. 双有源桥 CLLC 谐振变换器

同DAB变换器相⽐,因为分别具有较小的谐振电感和较⼤的漏感,DAB谐振CLLC变换器中循环的⽆功功率较小。然⽽,DAB谐振变换器(LLC或CLLC)在轻负载条件下会出现ZVS问题,在宽输出电压范围和负载条件下会出现效率下降。为了实现初级和次级桥电路的输出电压调节和ZVSCS,需要实施混合调制⽅案。变频运⾏、移相控制、PWM占空⽐控制和延迟关断控制是常⻅的控制⽅法。根据电池充电器的输出电压和负载范围,可以组合两种或三种⽅法进⾏混合控制。由于所有电源开关均采⽤软开关,DAB谐振变换器可提供最佳的EMI性能。

建议将EliteSiC功率集成模块(半桥或全桥)⽤于⾼功率DAB CLLC谐振变换器应⽤。建议将 NXH003P120M3F2 EliteSiC半桥功率集成模块⽤于DAB谐振CLLC变换器,以提供25kW⾄120kW的功率。对于120kW设计,可以使用三相交错双有源半桥谐振变换器在三个变换器之间分配功率损耗。在初级和次级均具有集成谐振电感的变压器将提⾼DAB谐振变换器的密度和效率。交错式三相双有源半桥谐振变换器如图9所⽰。

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图9. 交错式三相双有源半桥CLLC谐振变换器

三电平DNPC LLC谐振变换器

三电平DNPC LLC谐振变换器由三电平半桥电路、钳位⼆极管、谐振 LLC 电路和次级全桥电路组成,如图10所⽰

DNPC拓扑结构被视为谐振LLC电路初级侧的主要拓扑,因为它与上⾯所⽰的整流PFC前端和两级全桥的相脚具有相同的结构。DNPC谐振LLC电路的工作原理可以⽤谐振频率来解释。这同样适⽤于⾼于或低于谐振频率。开关S2和S3以50%的占空⽐运⾏,并有死区时间。外部开关S1与S2同时导通,但较早关闭以提供另一个死区时间。相对于S3,此模式适⽤于S4。因此,S1和S4以略低于50%的占空比工作,以适应此死区时间。

DNPC LLC电路具有复杂的换相过程,涉及多个器件。ZVS切换条件将分两步实现,第一步将输出电容从初始电压放电⾄一半电压。然后下一步放电⾄0V以实现零电压开启。由于ZVS的复杂性,S3和S4的开启情况不同。与两电平LLC拓扑类似,需要变频控制来调节输出电压。可以添加相移控制或PWM占空⽐控制来实施混合调制控制,以在所有负载条件下保持ZVS状态。设计直流超快充电桩方案必知的几种常见拓扑 (https://ic.work/) 电源管理 第2张

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图10. 3电平DNPC LLC谐振变换器

串联半桥 (SHB) LLC谐振变换器

串联半桥(SHB)LLC 谐振拓扑是多电平拓扑的另一种变体,可⽤作 LLC 电路的初级拓扑,以承受⾼输⼊电压。图11所⽰的SHB LLC电路具有与DNPC谐振LLC拓扑相同的谐振回路和次级全桥电路。

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图11. 串联半桥LLC谐振变换器(参考⽂献5)

同DNPC LLC相脚相⽐,SHB LLC相脚的主要优点是消除了两个钳位⼆极管,可将动力电池的元器件数量减少。SHB LLC拓扑具有两种⽤于谐振电路操作的调制⽅案,从⽽为直流电压转换提供更⼤的控制灵活性。外部开关S1和S4发⽣对称调制,具有相同的信号和50%占空⽐,⽽内部开关S3和S4与具有死区时间的其他开关互补。

对于对称调制,初级桥相电压以50%占空⽐在Vbus和0V之间切换。对于⾮对称调制,外部开关S1和S4具有25%的占空⽐,⽽内部开关S3和S4具有75%的占空⽐。S1和S4的栅极信号不像对称调制那样同步。相反它们相移180度。该相移也适⽤于内部开关S3和S4。

在⾮对称调制中,上半部和下半部总线电压交替连接到相脚输出,以两倍于器件开关频率的速度在Vbus的一半和零之间切换。两种调制⽅案的谐振回路两端的电压也不同。⾮对称调制的相脚电压的平均值是对称调制的相同电压的一半。然⽽,⾮对称调制的 相脚电压的等效频率是对称调制的两倍。输出电压的差异影响很多⽅⾯,例如输出电压范围、谐振回路值、开关频率范围以及软开关条件。

SHB电路的主要优点是谐振回路两端的激励电压有3个不同的电平(Vbus、0.5Vbus、0)。通过调制⽅案电压具有两个频率。直流电压转换的输出电压可以通过调制进⾏⼤范围调整。开关频率可降低一半,以实现与DNPC LLC 拓扑相同的等效工作开关频率。这些功能为SHB LLC电路增加了更多灵活性,可处理宽输⼊电压或输出电压范围。与DNPC拓扑相⽐,SBH电路的主要优点是结构更简单。

结论

在评估了各种隔离式DC-DC拓扑结构之后,安森美认为双有源桥变换器( Dual Active Bridge Converter)拓扑是具有双向充电功能的更优化解决⽅案。DAB变换器具有较少的元器件,且用在⾼功率直流快速充电桩应⽤中无需串联谐振电容,安森美使用NXH010P120M3F1半桥模块开发了25kW 直流快速充电桩参考设计以演示这种拓扑结构。对于⼤于100kW的设计,交错式DAB变换器是一种合适的拓扑结构。

DC−DC转换的EliteSiC M3S 功率集成模块选型表

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