直流快速充電系統(tǒng)：通過(guò)LLC 變壓器驅(qū)動(dòng)最大限度提高功率密度

在全世界都致力于實(shí)現(xiàn)碳中和的同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē) (EV) 也在迅速搶占內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的市場(chǎng)份額。 然而，電動(dòng)汽車(chē)存在里程焦慮的問(wèn)題，用戶(hù)會(huì)擔(dān)心在不充電的情況下EV能夠駕駛多長(zhǎng)時(shí)間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，世界各國(guó)的政府都在大力投資EV充電基礎(chǔ)設(shè)施。

EV充電站類(lèi)型

目前在用的EV充電站類(lèi)型多樣，從 1 級(jí)/2 級(jí) (L1/L2) 充電站，到可提供高達(dá) 400kW 功率的直流快速充電 (DCFC) 站（見(jiàn)圖 1）。

圖1: 電動(dòng)汽車(chē)充電站

EV充電站具體描述如下：

?L1/L2:這類(lèi)充電站可提供交流電為電動(dòng)汽車(chē)充電，電池滿電的充電時(shí)長(zhǎng)通常需 8 小時(shí)以上。L1 的充電功率為 3kW 或更低，這意味著車(chē)輛每充電1小時(shí)可行駛 2 至 10 英里；L2 的額定交流電功率為 3kW 至 19kW，即充電1小時(shí)可行駛 10 至 25 英里。

?DCFC:這類(lèi)充電站可在 40 分鐘內(nèi)將 EV 電池從 20% 充電至 80%，具體取決于充電站本身的額定功率（50kW 至 400kW）和車(chē)輛可充電的最大功率。

在住宅或工作場(chǎng)所充電，L1/L2就足夠了。但對(duì)無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間充電的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，DCFC 和超級(jí)充電站則是必需的，例如長(zhǎng)途旅行中的電動(dòng)汽車(chē)，其電池的全部容量都將被利用。

圖 2 顯示了在全球范圍內(nèi)用于 L1/L2 交流充電站和 DCFC充電站的不同類(lèi)型連接器。DCFC 很方便，且能夠快速補(bǔ)充能量，但其高充電率會(huì)比交流充電更快使 EV 電池降級(jí)；而L1/L2則是利用了EV中的車(chē)載充電器，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電。但另一方面，DCFC 充電站中包含了所有的電力電子設(shè)備將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，可直接為汽車(chē)電池充電。

請(qǐng)注意，特斯拉在歐洲之外的所有市場(chǎng)都為其超級(jí)充電站提供專(zhuān)有插頭；在歐洲則提供 CCS2 連接器。

圖2: 全球EV充電站連接器

圖 3 所示為一個(gè)典型的直流快速充電站功能框圖，該電路將三相交流電壓轉(zhuǎn)換為 250V 至 800V 的直流電壓來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)充電。DCFC 充電站通常包含幾個(gè)這樣的子單元，每個(gè)子單元的功率范圍從 30kW 到 75kW。 圖中還展示出很多可以驅(qū)動(dòng)直流快速充電站的解決方案，包括隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離式電源模塊、變壓器驅(qū)動(dòng)器偏置和具有集成電源的數(shù)字隔離器解決方案。

圖3: DCFC子單元功能框圖

從圖 3可以看出，DCFC 系統(tǒng)通常由兩個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)組成。第一級(jí)為功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)，它將來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為介于 800V 和 1300V 之間的中間直流電壓總線。PFC 級(jí)通常采用三相三電平整流器/逆變器拓?fù)?。這種拓?fù)涞奶厥庠谟诳梢耘c三相電網(wǎng)連接的三電平變換器。

第二級(jí)也稱(chēng)為 DC/DC 級(jí)，它通過(guò)隔離式 DC/DC 變換器將中間 DC 電壓轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電壓，用于需要充電的電池。LLC 和相移全橋變換器是 DC/DC 級(jí)較為常見(jiàn)的拓?fù)溥x擇。

設(shè)計(jì)大功率充電站的部分挑戰(zhàn)來(lái)自于如何最大化功率密度，如何降低成本并縮小尺寸。提高效率的行業(yè)通用方法之一是用碳化硅 (SiC) FET 代替半導(dǎo)體 MOSFET/IGBT。在 DCFC 充電站功率已從 50kW 增加到 高于400kW 的今天，這種方法尤為重要。

由于 DCFC 系統(tǒng)的高電壓和大功率特性，它需要隔離設(shè)備來(lái)保護(hù)用戶(hù)和低壓控制電路免受來(lái)自高壓電源轉(zhuǎn)換電路的潛在危害與干擾。我們可以利用附加組件來(lái)降低這種危害風(fēng)險(xiǎn)：

?? SiC MOSFET 和 IGBT 的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，如 MP18831 和MP18851

?? 數(shù)字信號(hào)隔離器，如 MPQ27811 和MP27631

?? 隔離式電流采樣和電壓采樣器件，如 MCS1806 和MCS1803

請(qǐng)注意，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器需要隔離式偏置電源來(lái)供電，并且柵極驅(qū)動(dòng)器電源必須能夠承受高隔離電壓。 至少，柵極驅(qū)動(dòng)器電源必須能夠承受中間直流總線電壓，并且必須提供低隔離電容，以最大限度地降低從高壓側(cè)到低壓側(cè)的干擾。

為柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)隔離式電源

MPQ18913 是一款用于隔離式偏置電源的變壓器驅(qū)動(dòng)器。它可與 SiC FET 配合使用，用作 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離式偏置電源。隔離式電源通常采用（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）反激拓?fù)鋪?lái)提供隔離式 18V/-4V 輸出，以驅(qū)動(dòng) SiC FET。圖 4 顯示了采用 MPQ18913 實(shí)現(xiàn) 18V/-4V 輸出的典型應(yīng)用電路。其輸出數(shù)量可以根據(jù)使用的變壓器進(jìn)行配置，輸出電壓也可通過(guò)匝數(shù)比進(jìn)行修改。

圖4: MPQ18913應(yīng)用電路

MPQ18913 可用作 LLC 變換器，這也是隔離式柵極驅(qū)動(dòng)電源最有效的拓?fù)漕?lèi)型（見(jiàn)圖 5）。該拓?fù)洳捎昧酥C振 LLC 回路，其中提供一個(gè)磁化電感用于能量傳輸，還提供額外的電容和電感，使諧振回路以特定頻率諧振。變換器利用這種諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)并確保高效率的電源轉(zhuǎn)換。LLC 變換器的主要優(yōu)勢(shì)是變壓器產(chǎn)生的漏感可用作諧振回路中的諧振電感；這消除了由漏感引起的電壓尖峰，與反激式拓?fù)湎啾龋蔡岣吡诵省?/p>

圖5: LLC拓?fù)?/p>

以 MPQ18913 為例，與典型的 PSR 反激拓?fù)湎啾龋琇LC 諧振拓?fù)渚哂袔讉€(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。其一，LLC 諧振拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)頻率 ((fSW) 高達(dá) 10MHz，反激拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)頻率則始終保持在 400kHz 以下；這使得整個(gè)LLC解決方案的尺寸比使用類(lèi)似功率水平的反激式應(yīng)用縮小 了40%。其二，LLC 諧振拓?fù)涞母綦x電壓可輕松達(dá)到 5kV，而傳統(tǒng)反激式解決方案僅達(dá)到 1.5kV；因此，LLC 諧振拓?fù)淠軌驖M足更嚴(yán)格的隔離電壓要求。

表 1 對(duì) LLC 諧振拓?fù)浜头醇な酵負(fù)溥M(jìn)行了比較。

表 1：LLC 諧振拓?fù)渑c反激式拓?fù)涞谋容^

審核編輯 黃昊宇