方案丨电动汽车直流快充方案介绍
越来越多的电动汽车（EV）充电桩和充电站如雨后春笋，出现在高度公路、城镇小路，车道和小区里。当充电变得越来越方便，电动汽车的车主们开始更加关注充电设备的可靠性和与充电有关的能源成本问题上。针对这一问题设备供应商必须迅速做出反应。要想纯电动汽车更容易的被大众接受，工程师必须找到方法来增大充电器功率从而更快速地充电，另一方面也要提高充电设备的可靠性和充电效率，从而满足大众对设备长期高效运行的需求。
背景介绍
家用固定EV充电器的功率通常限于居住区配电网所支配的22千瓦，商业充电站可直接通过低频变压器连接到公共中压配电网，从而将功率提高到100千瓦及以上。本文讨论的重点是后者，即商业充电站。
随着国家政策对新能源汽车（EV）行业的支持，EV发展日新月异，商业充电站的开发必须紧跟新能源汽车发展的趋势。综合现在市场上的信息，可以看到：
为了支持持续增加的续航里程要求，新的电池组能量越来越高，从早期的40kWh到目前的60kWh以上； 充电时间要求越来越短，从早期的40分钟到未来的12分钟，甚至10分钟以内； 为了满足上面两方面需要，越来越多的EV厂家把电池组的电压从400V升高到800V左右，从而限制电池组电流；
可以看到对于未来EV商业充电站来说，一方面单体大功率300-350kW充电机需求越来越普遍，另一方面宽电压输出范围的充电器将是一个新的需求。
系统介绍
快速充电器通常由电力电子、控制电路、与BMS（电池管理系统）和用户接口组成。电力电子部分目前主要用到的系统结构由两种，一种是基于高频变压器隔离的方案，见图1。三相电网输入接有源PFC，整流成高压800V直流电压，再经过LLC软开关隔离，整流输出电压给EV的电池组充电。优点是体积小，重量轻；缺点是功率变换单元较多，控制复杂，效率低。
图1： 基于高频变压器的充电器方案
另一种是基于工频变压器隔离的方案，如图2。三相电网先经过工频变压器隔离，再接有源PFC，整流成高压直流电压，后级接buck/boost电路，输出给EV电池组充电。优点是效率高，拓扑结构简单；缺点是体积大，重量重。
图2： 基于工频变压器的充电器方案
接下来我们分别针对不同变换单元做方案介绍和对比：
三相功率因数校正（PFC）：
考虑到大功率充电器突然切入电网，会造成电网谐波污染和功率因数下降，商业充电器一般都会在电网侧引入PFC，从而控制输入电流，使其与电网电压成正弦相位。图3前三个描绘了常用三相PFC电路，分别为维也纳整流PFC（Vienna Rectifier），对称PFC（SPFC），中心升压PFC（NPFC）；最后一个叫ANPFC，是Vincotech公司专利拓扑，融合了SPFC和NPFC的优势，其中“A”在ANPFC代表先进的（Advanced），表明它是一种改进的中心升压Boost PFC（NPFC）。
图3：PFC拓扑介绍
两个半导体开关T13、T14控制电流走向，它们是同步切换的，所以T13、T14可以共享一个驱动信号，即ANPFC只需要一个栅极驱动电路和一个辅助驱动电源，这是ANPFC相对于SPFC的优点。相对于NPFC，ANPFC使用了两个650V的二极管取代一个1200V二极管，效率得到大大提高。相对于广泛使用的Vienna Rectifier，ANPFC的效率提高了15%。具体效率的比较请参考图4，直流电压和GND之间的电压范围可达400伏，直流输出电压和DC电压高达800伏。
图4: Vienna rectifier, SPFC, NPFC和ANPFC效率比较
DC/DC转换器：
DC / DC转换器提供电压隔离，并根据电池状态调整输出电压和功率为电池充电。一般电池充电分三个阶段，开始恒流，其次是恒定功率，并结束于电池电压的跟踪控制，即恒压控制。
谐振式DC/DC变换器已经在电信和服务器电源中使用了很多年，典型拓扑包括零电压开关移相转换器（ZVS）和LLC谐振转换器。两者都支持零电压半导体导通，这有助于减少开关损耗和电磁干扰（EMI）。LLC谐振变换器能实现零电流关断（ZCS），且即使在轻载下仍保持零电压开关的优点，因此相对效率更高。这也是工程师们在充电机设计中更喜欢使用LLC谐振变换器的原因。如果主变压器有一个铁氧体磁芯，磁芯和绕组最佳工作点一般在满载110kHz左右。1200 V的硅半导体器件很难在这么高的开关频率下实现较高的效率。虽然1200V SiC MOSFET是一种选择，但成本远远高于标准的硅解决方案。另一选择是使用PFC环节的中心点，把直流母线800V电压分成两个400V，每个400V电压就可以使用高频的650V MOSFET或IGBT来实现，拓扑结构如图5所示。
图5：双H桥DC/DC变换器
下面的图6和7比较了LLC软开关模式下单桥1200伏SiC MOSFET和双桥650V IGBT和650V MOSFET在满载25kW下的效率和成本对比。对比晶圆使用了20mohm SiC MOSFET，100A IGBT和20mohm MOSFET。
图6: DC/DC转换器模块的效率比较
图7: DC/DC转换器模块的成本比较与不同的芯片技术
单桥1200V SiC MOSFET效率最高，但成本也是最高的；650 V快速切换IGBT双H桥的效率和MOSFET几乎是一样的，但成本便宜很多。总体来说，基于IGBT的双H桥是性价比最高的。
方案推荐
下面的图8描述了完整的基于三相ANPFC和双H桥LLC的充电器电路，至少使用了20种高功率半导体器件。
图8:三相充电器的应用
如果使用分立器件，在设计和安装上会复杂很多，带来很多可靠性方面的问题。相反如果使用功率模块设计，可以很容易优化回路设计，降低回路寄生电感，从而降低器件关断电压尖峰，减少开关损耗；另外，模块内部可以并联多个裸芯片，很容易实现更高的功率输出，方便PCB布局和机械结构设计；功率模块是经过绝缘认证并且出厂100%做绝缘检测的，从而有效避免单管使用过程中经常碰到的绝缘不良问题；最重要的是，功率模块设计可以使得PCB板上控制电路和散热器的风道完全隔离，即风道隔离设计，确保从风道中进入的灰尘和腐蚀气体不会进入PCB控制电路中，具体见图9。
图9: 基于功率模块的散热设计
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