【经验】电动汽车充电器应用中DC-DC转换器的基准系统架构和拓扑选择

1、介绍

电动汽车（EV）对试图将这种汽车推向市场的人们提出了许多问题和挑战。 OEM的工程师需要解决一系列问题，基础设施规划人员则需要解决另一些问题，而政策制定者则忙于解决组合可再生能源、电动汽车和智能电网的难题。如果我们孤立地考虑电动汽车，这很容易从理论上完成，但在现实世界中却很困难，最大的问题就是充电时间和基础设施可用性。这些挑战将必须克服，因为电动汽车是交通运输的未来。到2030年，预计将有多达1.2亿辆电动汽车投入运行，而且电动汽车的行驶量越多，集体车队对能源的需求就越大。如今，充电能源需求总计约200亿千瓦时，据预测，到2025年将增加到1000亿千瓦时，到2030年将增加到2800亿千瓦时。这是一项艰巨的任务。效率更高的电动汽车充电器可以帮助满足不断增长的能源需求，并更快地提供更多动力。本文研究了各种系统架构和拓扑，注意力集中在非车载充电器的核心DC-DC转换器上。

2、系统结构

需要考虑两种主要情况：公共充电和家庭充电。每个选项的需求因地区而异。鉴于中国的基础设施限制和人口稠密的城市，公共收费可能会更加频繁地应用。相比之下，在美国大部分地区，家庭充电将占主导地位，因为人们居住在单户住宅中。然后是充电设备的本质需要考虑——是慢速充电器，快速充电器还是大功率充电器？

电池的充电时间范围为20分钟至20小时，具体取决于电动汽车充电器（EVC）的输出功率。以具有27.2 kWh净电池容量的EV为例。一个3kW的家用充电器可在9小时内将电池的电量从0％补充到80％。 DC-DC板载快速充电器（3级）可在不到45分钟的时间内完成此操作。

目前市场上主要有三种系统结构。

2.1 系统结构一

这是最高200 kW的最新系统架构。它由几个单元组成，是模块化的。功率级别和功率单元类型因地区而异。以中国为例，功率单元为20 kW，其中大多数都基于带有分立组件的电源，这些组件仍然可以满足当今对效率和可靠性的期望。欧洲的情况则完全不同，甚至20 kW的功率单元都基于功率模块以可以满足可靠性和效率要求并减少制造时间。

2.2 系统结构二

这是双向的车辆到电网（V2G）系统，它主要设计用于以EV作为存储单元的住宅应用。V2G是智能家居应用程序和智能电网中的关键要素之一。同样，在没有考虑可再生能源和智能电网渗透的情况下，孤立地考虑电动汽车和电动汽车充电器是不可行的。这就是为什么系统架构2在高达22 kW或更高的应用中获得发展的原因。以一个家庭充电场景为例，一名美国母亲在一夜之间在家为紧凑型电动汽车充电。在这种情况下，她的汽车实际上可以用作家庭的缓冲或储能装置。随着智能电网的普及和可再生能源成为能源结构中的更大因素，这种类型的充电器将涉足家庭充电应用。

2.3 系统结构三

此最新设计旨在服务于更高功率（> 200 kW）的市场。中压变压器直接为系统提供电源。有一个很好的理由说明为什么它必须是中压变压器：一个高速公路侧的充电站，其中有十个工作于350 kW的充电器，每个从电网汲取3.5 MW的电能。电源应从中压线路获得，以满足这种需求。有两种方法可以做到这一点。首先，我们可以使用传统的50 Hz变压器将电压降低至400 V（L L），然后将AC转换为DC。另一方面，我们可以使用电力电子变压器（PET）产生中压，中频电力，并在变压器内进行转换。 PET在牵引应用中已经使用了多年，它将对智能电网至关重要。

3 LLC基准

谐振LLC转换器具有诸如高效率，低EMI和更高的功率密度等优点。 但是，为给定应用选择正确的组件确实需要更多的努力。

图4 具有全桥整流器的全桥LLC转换器

本文讨论的谐振LLC转换器使用各种组件技术在不同的谐振频率下进行基准测试，以评估效率和成本。 变压器的转换率为1，谐振回路的最大增益限制为1.4。 Lr，Cr和Lm值取决于变压器的转换比，谐振频率和LLC的额定功率。提供了具有各种组件技术的几种配置。 双H桥由两个具有650 V的级联H桥组成。

图5 ：H桥拓扑

图6: 25 kW满载条件下的DC-DC转换器

1200V SiC MOSFET在整个频率范围内表现出最高的效率。采用双H桥拓扑的650 V快速IGBT和650V Si MOSFET解决方案在100 kHz以上的频率下表现出相似的性能。 650V IGBT在低于100 kHz的频率下效率更高。但是在部分负载下，Si MOSFET解决方案的损耗低于IGBT解决方案。另一方面，在25kHz后，1200V快速IGBT的性能急剧下降。成本可提供更完整的信息：它清楚地表明1200V SiC MOSFET是最昂贵的解决方案，650V快速IGBT和1200 V快速IGBT的成本是可比较的，出于成本基准的目的，它们被认为是相等的。 Si MOSFET的价格大约是快速IGBT的两倍，但在成本排名中次于其他两个。请注意，此成本基准考虑了功率模块的价格。该比较假设VINCOTECH flow1外壳中装有1200 V SiC MOSFET（单个H桥）。 650 V快速IGBT和650 V Si-MOSFET基于双H桥配置，因此可以将它们容纳在两个Vincotech flow 1外壳中。尽管1200 V快速IGBT可以装在单个模块中，但此比较假定它被包装在两个Vincotech flow1外壳中以在两个模块之间分配热量。 否则，更高的损耗会使其不可能将热量从单个模块中散发出去。

图7: 在12 kW部分负载条件下的DC-DC转换器

在部分负载下的效率基准表明，在整个频率范围内，650 V Si-MOSFET优于650 V IGBT。 较低的功率水平可以解释这一点–降低的输入电流可减少较少的静态损耗。 在LLC拓扑中，静态损耗通常大于开关损耗。 板载DC-DC充电器在满负载下提供能量以减少充电时间，这就是为什么在满负载下进行比较更有意义的原因。 本文要研究的最后一个问题是可以获得多少效率。 我们将650V Si MOSFET的R_dson减半，以研究其如何影响效率。下图提供了一些答案。

图8: 25 kW满载条件下的DC-DC转换器

如上图所示，并联两个650 V Si MOSFET可减少损耗并提高效率。 如果将R_dson减半至10mΩ，则效率水平与1200 V SiC MOSFET（20mΩ）相当。 下一步是通过将四个Si MOSFET（20mΩ）并联来将Rdson减小到5mΩ。 这再次将系统的效率提高到了SiC MOSFET以上的水平。 不出所料，模块的价格相应上涨。 请注意，将650 V快速IGBT的电流额定值加倍不会使效率提高到将Si MOSFET的Rdson减半一样多，这就是为什么没有探索此选项的原因。 相反，将快速IGBT的额定电流加倍确实会降低Rth，从而通过降低结温来帮助降低损耗。 这提高了组件的可靠性并延长了使用寿命。

4 结论

本文简要回顾了当前的EV充电器的系统架构，并放大以进一步检查LLC拓扑。 电动汽车蓬勃发展的市场面临挑战。 随着功率水平的提高，效率变得越来越重要。 谐振LLC DC-DC转换器是充电器应用中最常用的选件之一，但是为应用选择正确的组件和配置至关重要。 650 V快速IGBT带双H桥配置在成本和效率方面均表现出色。 如果即使在部分负载下应用也需要非常高的效率，则1200 V SiC MOSFET和650 V Si MOSFET是不错的选择。 充电站是Vincotech的优先市场。 凭借其一系列标准功率模块和特定于客户的解决方案，该公司提供了正确的解决方案，可满足每个客户的应用需求。