【应用】Vincotech低成本高效率的快速充电功率模块拓扑，助力电动汽车充电器市场
电动汽车（EV）和插电式混合动力电动汽车（PHEV）市场随着环境问题、消费者需求、新法律和政府鼓励措施等因素越来越受到消费者的青睐。当然，这将需要更多的充电站来保持所有这些电动汽车和插电式混合动力汽车能够顺利上路。在本文中，我们简要回顾EV充电器的功率级别1,2和3，全面了解充电器市场。在最后得出结论之前，对VINCOTECH最新体系结构和拓扑的功率模块进行比较。
1. 引言
大多数人在住宅地为其电动汽车充电，仅仅是因为使用家用电源进行1级充电非常方便。2级充电是更高功率的选择，专家预计它最终将成为公共和私人所使用的首选方法，该类型的设备可成为一个随时随地充电的解决方案，它可以安装在任何地方，以便实现实时充电。1级和2级充电器采用的是单相电源，3级充电器改变了电动汽车充电的传统规则，因为它减轻了范围的限制约束，从而缓解了车辆在道路上出现电量耗尽的的担忧。与三相电源连接的三级充电器像曾经的加油站一样正在不断增加，运营商将其部署在购物区、剧院、酒店等区域。图1向我们展示了电动汽车充电器的三个充电水平。
图1 EV充电器功率水平
根据电动车充电器（EVC）的输出功率，电池的充电时间范围为20分钟至20小时。 例如，以27.2千瓦时净电池容量的电动汽车为例。一个3 kW的家用充电器可在9个小时内将电池容量从0％提高到80％。而3级的DC-DC非车载快速充电器(off-board fast charger)在45分钟内即可完成。
图2 平均充电时间
2. EV充电器市场一览
公众可使用的充电站部署速度比电动汽车制造商销售汽车的速度更快。2016年充电座数量激增，同比增长72％，而全球电动汽车销量增长约60％。这种高涨表明，越来越多的市场采用电动汽车已经达到了临界点。同样，快速的非车载DC充电器也进入了电动交通这一领域。市场数据说明了非车载充电器的潜力。2015年，车载EVC在全球收入中的份额要大得多，但规模正在向非车载充电器倾斜。根据2020年的预测，非车载充电器的收入将是更大的一部分。更重要的是，该预测仅要求2015年至2020年的年复合增长率（CAGR）为23％。图3描绘了2015年全球收入份额和2020年预测份额。
图3 全球收益份额和预测份额
3. 系统架构和拓扑
目前，市场上有三种主要的系统架构， 每个快速回顾如下。
图4 系统架构
1）系统架构1
上图中的系统架构1是高达200千瓦的最先进的系统架构。由几个单元组成，是一个模块化系统。
2）系统架构2
系统架构2是一个双向的车对电网（V2G）系统。它主要设计用于EV作为存储单元的住宅应用， V2G是智能家居和智能电网应用的关键元素之一。
3）系统架构3
系统架构3旨在服务于更高功率（>500 kW）市场的最新设计。一个中压变压器直接为系统供电，它不使用任何谐振拓扑结构，因为中压变压器提供了与电网的电隔离。
4. Vincotech用于EV充电器的三相PFC拓扑
对于寻求高功率密度和高效率的工程师而言，三相PFC是一个吸引人的解决方案。通常的做法是将三个单相模块组合在一个交流系统中，从而实现三相PFC所需的输出功率水平。本节简要介绍了现行的三相PFC拓扑结构，以及这些在EV充电器应用条件下的基准。
图5 三相PFC拓扑
本文对成本和效率进行了基准测试，以阐明上述拓扑的优势和劣势。用于充电器应用的PFC模块的开关频率较高（>40 kHz），因此为了进行比较，我们考虑了开关和SiC二极管中的IGBT在出现反向恢复损耗的位置。图6显示了不同拓扑的基准效率和成本。值得注意的是，鉴于相同的组件技术，SPFC和ANPFC拓扑的效率几乎相同。但是，ANPFC只需要一个栅极驱动器，这可以降低整个系统的成本。
图6 不同三相PFC模块的效率和成本比较
5. Vincotech用于EV充电器的LLC拓扑
EV充电器应用中的谐振拓扑有两个目的，分别是电流隔离和DC/DC转换。EV充电器使用几种谐振（软开关）拓扑结构。本文的比较基于LLC拓扑，这是用于充电器应用的最先进的谐振拓扑结构。LLC是一种软开关拓扑结构。每个设计的参数都是独特的，因此为应用寻找合适的模块比实现硬切换拓扑更具挑战性。Vincotech有多种配置技术可供选择。第一种是双H桥，由两个650V元件的级联H桥组成。第二种配置是具有1200V组件的H桥。双H桥拓扑结构使我们能够使用650V组件，其中PFC输出端的电压被分成两部分并路由到每个H桥。
图7 H桥拓扑结构
本文对成本和效率进行了基准测试和比较，以深入了解这些拓扑结构的优点和缺点。
图8 H桥拓扑成本和效率对比
SiC MOSFET在整个负载范围内表现出了最高效率。双H桥拓扑中的IGBT和Si MOSFET解决方案在100％负载下的性能相当。然而，由于Rdson陡度，Si MOSFET解决方案的损耗比部分负载下的IGBT解决方案低。所以结果是，SiC MOSFET是在所有负载情况下实现高效率的首选解决方案。
6. 结论
本文首先简单回顾了电动汽车充电器的功率等级1、2和3，全面了解了充电器市场，然后放大了对3级直流快速充电解决方案的探索。这个市场正在蓬勃发展，2016年可公开使用的充电器数量增加了72％，电动汽车增长达60％。随着电动汽车电池容量的增加，3级系统架构将在不久的将来获得青睐。ANPFC拓扑是所有三相PFC拓扑结构中性价比最高的。另一方面，LLC拓扑在1级和2级系统体系结构中占有突出地位，价格-性能优势中的赢家是具有双H桥拓扑的IGBT。充电站是Vincotech的优势市场，无论是使用标准的功率模块还是客户定制解决方案，Vincotech均能提供正确的解决方案来满足每个客户的应用需求。
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本文由Tigerhoho翻译自Vincotech，版权归世强硬创平台所有，非经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，授权转载时须注明“来源：世强硬创平台”。
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