50kW快速直流充电桩的设计考量

针对大功率充电桩（HPC）的工作运行范围和充电时序乃至通信和接口等一切要素，国际标准化组织中的工作组都已制定了相应的标准。在欧美，相关方面已经同CharIN（电动汽车充电接口倡议组织）及其提出的“联合充电系统”（CCS）展开合作。其它国家也已制定类似的标准，其中包括日本的CHAdeMO和中国的国标GB/T。某些汽车制造商也对开发专有充电解决方案给予了重视。对于希望参与这一市场的制造商而言，选择模块化的方案显然是必经之路。本文要讲述的就是如何采用模块化的方案来实现这一目标。

几十年来，车主已在不知不觉地被无所不在的加油站网络惯坏。必须围绕加油站点来计划最优行程的想法，根本不会出现在他们的脑海中。然而，对于考虑购买或租赁纯电动汽车（BEV）的用户而言，这大概是他们首先想到的问题之一。虽然很多人使用电动汽车主要是进行续航里程范围内的短途旅行，但遇到周末外出或年假这样的例外情况就需要考虑充电问题了。

停在家中时，我们的BEV可以慢慢地充上一夜电。许多大都市大城镇也已开始部署公共充电桩，让我们在购物时也能给汽车充电。现实是，至少就长途旅行而言，电动车的充电时间需要能接近内燃机车加油所需的时间。一个22kW的家用交流充电桩，充电120分钟可以提供200公里左右的续航里程。如果想将这个时间缩短到7分钟，则需要采用350kW的快速直流充电桩。

对于希望参与这一市场的制造商而言，选择模块化的解决方案显然是必经之路。模块化方案有助于重新利用终端产品的某些部件，比如通用的外壳和冷却方案，同时可以根据目标市场的需求来选择接口、电缆和电子部件等等。

在装有快速充电大功率充电桩（HPC）的充电站，需要有专门的低压或中压（LV/MV）电气基础设施来为它们供电。预计这将主要安装在城际交通干道沿线的高速公路服务站等地方。输入的交流电源将电能输送到隔离变压器，再由二次侧转换为直流电。采用双二次绕组∆/Y变压器是常用的解决方案。

图1：整流单元可以通过使用一个1200V CoolSiC™ MOSFET模块来轻松实现

图2：Easy 2B封装的半桥模块（如F3L15MR12W2M1_B69）是Vienna整流的理想选择

这些移相变压器与多脉冲整流器相结合，以串联或并联的方式运行，以减少输入端的谐波含量。在这种设计中，虽然可以通过选择合适的DC/DC拓扑来实现隔离，也需要使用能改善谐波含量的变压器。这里要做的第一个设计决策是选择采用通用交流母线方式还是通用直流母线方式。

对于通用交流母线方式，变压器的二次侧为多个AC/DC整流单元供电，后者再为它们自己的DC/DC单元供电。这种做法的优势在于，可以简化充电桩的整体设计概念。但是，每个AC/DC整流单元都需要用到滤波器、控制器和传感器，这会使得总成本更高。就目前而言，支持面向电网的电能回馈（比如汽车向电网输电（V2G）和汽车向楼宇输电（V2B）等）还不是强制性要求。但如果这一要求发生改变，还会使成本和复杂度进一步提高。

通用直流母线方式是指，用一个AC/DC整流单元输出DC电压来为所有DC/DC单元供电。经证明，这种方式更为优越，因为它能减少器件数量和成本，同时还能提高整体效率。当V2G和V2B成为强制性要求时，进行升级改造也会更简单。直流母线也更容易与可能部署的其它能源系统（如本地电池储能系统、光伏发电系统等）相整合。最后，当前直流充电桩标准也支持集中式充电站使用一个整流单元作为多个电池充电器的前端的方案。主要劣势在于如此大功率的整流单元体积会比较大。

支持2-3MW功率的充电站更倾向于通用直流母线方案，用它可以为6-8个大功率的DC/DC充电单元供电。

高效率的AC/DC整流电路之所以能够实现，得益于最新的功率晶体管技术，高性能的单片机（MCU）和数字信号处理器（DSP）。它们一方面确保从电网提取正弦电流、低谐波畸变（THDi ≤ 5%）及独立控制有功和无功，另一方面确保进行及时的动态响应控制。以功率因数校正方式运行可确保消除来自电网的无功功率损耗。最后，如果所选的拓扑结构支持，直流侧和交流侧之间的双向能量流动将变得相当简单。

两电平电压源变换器（2L-VSC）是应用最广泛的拓扑结构之一。它包含一个由6个开关器件（通常为IGBT或SiC MOSFET）组成的阵列，以及一个作为直流母线、输出电压高于输入电压的电容器。该整流单元还支持双向能量流动，并能提供完全可调的功率因数。其开关控制方式可以使用脉宽调制（PWM）或空间矢量调制（SVM）。

借助1200V CoolSiC™ MOSFET模块FS45MR12W1M1_B11（图1），很容易实现这个整流单元。模块包含6个开关器件，它们都被整合在同一EasyPACK™ 1B封装中，该封装采用低杂感设计，并集成NTC温度传感器。也可考虑半桥解决方案，比如采用EasyDUAL™ 1B封装的FF11MR12W1M1_B11。基于这些器件的设计可在25-45kHz的开关频率下达到60-100kW的功率。

如果不需要双向能量流动，则Vienna三相三电平整流器将成为流行的方案。它只需要三个有源开关，并能实现正负升压功率因数校正（PFC）。当控制电路发生故障时，它可以防止输出端或输入端发生短路，甚至能在失去一相输入的情况下正常工作。采用分立式元件组装所需付出的工作量可能很大，但在大功率应用场合，更常用的是集成式功率模块。

通过使用F3L15MR12W2M1_B69这种基于Easy 2B封装的SiC模块，可以实现正负升压PFC Vienna整流器（图2）。每个模块含有两个1200V快速整流二极管、两个1600V慢速整流二极管和两个1200V、15mΩ SiC MOSFET。三个这样Easy 2B封装的模块可以很容易地设计出紧凑、大电流、低损耗的整流单元（图3）。

CharIN定义的直流充电桩规格，支持的输出电压必须在200V到920V之间，能提供最大500A的电流，并且能在最高350kW的功率范围内运行。有一系列隔离型和非隔离型的DC/DC拓扑可以用来解决这个挑战。

无论选择哪种拓扑，都有几个必须满足的关键要求。实际尺寸和总体成本是重点要求，而电磁干扰（EMI）方面的规定也必须遵守。同时零电压或零电流开关（ZVS/ZCS）,最高效率，并支持所需的最大功率。最后，确保输出端的电压和电流纹波最小，从而防止电池过热。

图3：使用Easy 2B Vienna整流器和全桥DC/DC模块的60kW高效率设计

采用高开关频率（HF）隔离变压器的拓扑结构（如全桥LLC谐振转换器），素以在谐振频率下拥有最高效率而著称。由于一次侧开关工作在ZVS，二次侧二极管工作在ZCS，所以它们还具有与生俱来的高效性。遗憾的是，支持所需的宽输出电压范围，使得采用这种方式发展充电桩非常具有挑战性。

考虑到输出功率大于100kW，并且隔离可以通过电网侧变压器来保障，所以可以使用非隔离型升/降压变换器。在多相配置中，它可以达到最高98.5%的效率。这种方法还可显著降低由电压波动引起的电流波动。模块化设计使其尺寸和运行参数很容易适应各种需求变化，包括输出，性能或外形的改变。

虽然功率变换器如今已能达到不可思议的效率水平，但当快速直流充电桩满载运行时，仅仅1%的效率降幅，就相当于有3.5kW的功率被以热量的形式耗散掉。单是线缆就能增加每米100W的额外损耗。强制风冷已不能满足大功率充电桩（HPC）的散热需求，不仅电力电子器件还有端子和线缆都需要借助于液冷散热。

这里存在的挑战是，许多液体冷却剂都有易燃、易降解、易腐蚀和易致毒的问题。水-乙二醇混合液如今已被证明是线缆和端子的常用冷却液。介电冷却剂也已被成功开发出来，其中就有成功应用于ITT Cannon大功率充电桩（HPC）中的3M™ Novec™。冷却系统与独立式或集中式的散热器（取决于充电站的配置）相配合。

BEV的接受度在某种程度上取决于可用的充电基础设施。然有些担忧可以通过更好地推广现有的充电站网络来缓解，但是要想缓解人们对于长途旅行时的续航里程的焦虑，还需要投资快速直流充电技术的大功率充电桩。液冷将是散热解决方案中必不可少的一个组成部分，这就需要所选的电气拓扑和元器件既高效，又能容易与散热方法对应的机械系统相集成。包括二极管和开关管在内的碳化硅器件，将构成设计中不可或缺的一部分，从整流单元到为实现电池充电输出而选择的DC/DC拓扑，都有它们的存在。