大功率充电桩,系统设计及芯片选型的考虑(1)

前面介绍了6.6KW的模拟PFC+移相全桥,7KW的交错图腾柱PFC+全桥LLC,15KW的交错图腾柱PFC+全桥LLC,也在这篇文章 为什么是高压,为什么800V? 中介绍了提升电压等级及功率的考虑;

目前,150KW,360KW,500KW的更大功率的充电桩也越来越多;

小二研究了下大功率充电桩的系统设计,打算分3篇文章做个分享,欢迎大家交流;

第一篇:介绍系统考虑及拓扑;

第二篇:介绍SiC的优势及SiC在充电桩的应用;

第三篇:分析实际充电桩的电气图和电路图

1、大功率系统中国标准及系统组成

国家大功率充电标准“Chaoji”的发展旅程如下

面向未来大功率充电需求,“Chaoji”技术标准主要设计参数如下:

-最大电压:目前1000V (可扩展到1500V);

-最大电流:带冷却系统 500A(可扩展到600A);不带冷却系统 150-200A;

-最大功率:900KW

“Chaoji”技术标准设计目标是未来可实现电动汽车充电5分钟行驶400公里。

首先,说明一下,类似150KW的充电桩,一般不是一个单体的充电桩模块功率是360KW,它一般是9个40KW的充电桩模块,经过并联组成,示意图如下

如下2/3/4章节,整理自Onsemi官网 (国外大厂在知识&产品联合布道方面,确实做的太好了)

2、大功率充电系统架构考虑 

如下充电桩框图,针对不同功率的充电桩,在设计时候需要考虑的维度比较多,包括:

- 功率拓扑,包括PFC和DCDC的

- 调制模式 (控制)

- 开关频率及损耗 (十KHz~百KHz)

- 热管理

- 单相还是双向

图片来自罗姆官网

3、前级三相PFC的主流拓扑

提到PFC拓扑,详细大家肯定听过鼎鼎大名的维也纳整流 (Vienna),因此具体介绍前,有必要先对维也纳拓扑做个介绍:

维也纳整流是Johnnn W.Kolar在1993年发明的一种脉宽调制整流器,目前,Vienna已经作为三相AC-DC变换器的通用代名词,有时候DC-AC或者逆变器也会被称作Vienna;

目前三相维也纳的常用拓扑有如下几种:

三相Boost PFC维也纳架构:

开关管承受母线电压一半,一般600V/650V的耐压足够,因为导通回路有两个二极管串联,功耗会略高;二极管也是600V耐压;

T-NPC(T-Neutral Point Clamp) Boost PFC维也纳架构:

开关管背靠背连接,分别承受母线电压一半,一般600V/650V的耐压足够,因为导通回路少了一个二极管,功耗会更好;二极管的耐压是1200V

NPC(Neutral Point Clamp) Boost PFC维也纳架构:

开关管背靠背连接,分别承受母线电压一半,一般600V/650V的耐压足够,二极管用开关管替换,耐压也是600V,因此开通回路里面是两个开关管串联,因此功耗也会略高;

4、后级隔离DC-DC的主流拓扑

DC-DC拓扑,目前主流的有全桥LLC振荡器,全桥移相双有源整流桥零电压开关,全桥移相零电压开关三种拓扑:

全桥LLC谐振:

源级侧工作在ZVS,次级工作在ZCS,整个拓扑效率会很高;

全桥移相双有源整流桥变换器:

FB ZAB ZVT拓扑可以支持宽压输出,EMI特性也更好,漏电感在初级侧,减小了次级侧的电压耐压范围;这个拓扑可以实现双向变换;

全桥移相零电压变换器:

和FB ZAB ZVS拓扑不同的是,漏电感在副边,这会给次级的整流管带来非常大的电压应力要求;

可以看到,不同的拓扑,能量流动方向,开关管耐压,二极管耐压,控制策略及对应的EMI影响,都不一样;

第三代半导体技术(碳化硅/SiC),解决了高压及快速开关的问题,使得其在OBC和Offline Board Charger下大量应用,下章再介绍;

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  • bake_ql 2023-10-20 22:01
    很全面很深入
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