【选型】充电桩DC-DC转换电路拓扑结构该如何选择?
充电桩通常采用AC-DC+DC-DC转换的拓扑结构,而DC-DC转换通常采用LLC串联谐振全桥电路拓扑结构,如图1所示,左边是三电平LLC串联谐振全桥电路拓扑结构,右边是二电平LLC串联谐振全桥电路拓扑结构。
图1:LLC串联谐振全桥电路拓扑结构
那么,在充电桩应用中,DC-DC转换电路拓扑结构到底应该采用三电平LLC串联谐振全桥?还是采用二电平LLC串联谐振全桥?从技术层面来说,主要取决于DC-DC转换的额定功率、转换效率、输入母线电压范围,输出电压范围、额定输出电流、谐振频率或者最小最大开关频率,以及所选功率开关器件的开关特性,包括反向击穿电压,正向导通电压、正向导通电流或导通电阻、导通开关能量、关断开关能量、导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间和栅极总电荷等。当然,从充电桩产品角度来说,还取决于市场定位,包括功能、性能、体积、价格等其他各种因素的综合考虑。
从产品设计的角度来说,通常功率开关器件的反向击穿电压的选取(单颗或两颗串联使用)要大于DC-DC转换输入母线电压的1.5倍,功率开关器件的正向导通电压、正向导通电流或导通电阻的选取则取决于DC-DC转换的额定功率和转换效率,功率开关器件的导通开关能量、关断开关能量、导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间和栅极总电荷等参数的选取,主要取决于DC-DC转换的谐振频率或者最小最大开关频率及电平数,因为三电平比二电平在同等转换效率下可降低一半的开关频率,而且,功率开关器件的串联可提高输入母线电压。
目前,用于DC-DC转换的功率开关器件主要有IGBT,Cool MOS和SIC MOSFET等,它们各有优缺点。通常IGBT和Cool MOS单管的反向击穿电压相对较低,较为典型的为600伏或650伏,而SIC MOSFET单管的反向击穿电压相对较高,较为典型的为650伏、900伏、1200伏和1700伏。IGBT单管的功率相对较大,Cool MOS次之,SIC MOSFET相对较小。IGBT的开关损耗相对较大,Cool MOS的开关损耗相对较小,SIC MOSFET的开关损耗相对最小。当然,IGBT的价格也相对最便宜,Cool MOS次之,SIC MOSFET相对最贵。
通常来说,对于输入母线电压小于400伏的DC-DC转换,基于IGBT、Cool MOS和SIC MOSFET功率开关器件,均可采用二电平LLC串联谐振全桥电路拓扑结构来实现;对于输入母线电压大于400伏(典型600~800伏)的DC-DC转换,基于IGBT和Cool MOS功率开关器件,可采用三电平LLC串联谐振全桥电路拓扑结构来实现,基于SIC MOSFET功率开关器件,一般仍采用二电平LLC串联谐振全桥电路拓扑结构来实现。不过,基于IGBT、Cool MOS和SIC MOSFET功率开关器件的DC-DC转换,其工作开关频率和实现的成本也是不同的,一般来说,基于IGBT功率开关器件,开关频率低,成本也低;基于Cool MOS功率开关器件,开关频率中,成本也中;基于SIC MOSFET功率开关器件,开关频率高,成本也高。
VINCOTECH公司目前推出了基于INFINEON第五代高速H5的IGBT功率模块,其比基于INFINEON第三代高速H3的IGBT功率模块,性能有明显的提高,而成本却增加不多。表1和图2是基于H3的IGBT和基于H5的IGBT的性能比较。表2、表3是基于H5的IGBT和Cool MOS的开关损耗的比较,性能已非常接近,但H5的IGBT成本远比Cool MOS的成本低。因此,选用H5的IGBT模块在充电桩LLC上的应用,其性价比是非常高的,它以接近于Cool MOS的性能,远低于Cool MOS的成本实现LLC串联谐振全桥的DC-DC转换。
表1:基于H3的IGBT与基于H5的IGBT性能比较
图2:基于H3的IGBT与基于H5的IGBT性能比较
表2:Cool MOS的开关特性
表3:H5的IGBT的开关特性
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