【选型】充电桩DC-DC转换电路拓扑结构该如何选择？

时间： 2016-05-14 来源：世强作者：Richard

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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。