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2022/06/23

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全碳化硅(SiC)高功率密度、高频率的前瞻性充电桩电源参考设计方案 - 上海电力电子展

2022上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于8月31日至9月2日在上海新国际博览中心举行,邀您关注今日上海电子展新资讯:


目前电动汽车(EV)充电站越来越多地建在交通便利,但地段昂贵的商业城区,因此要求充电桩的体积更小、充电速度更快,同时还要适应更恶劣的工况,如灰尘多、更潮湿的环境。


所以,充电桩的设计方向是追求高密度、高电压、高功率和高可靠。SiC是目前最好的耐高压且高效率的开关半导体材料,很合适高功率应用。高效的开关特性使充电桩模块的电路功率密度提高,腾出空间给独立风道,从而提高抗水气和尘埃能力。


经过调研,瞻芯电子评估对比了3种主流充电桩电路方案拓扑的优势和不足,尝试性地提出了一个崭新电源架构,即利用电池是等效大电容的特性,采用电流源PFC加直流变压器(DC-X)来提高电源功率密度。这一架构可减少甚至省去PFC输出的电解电容。减少或消除PFC输出电容是提高功率密度、可靠性和降低成本的关键 ,而1200V SiC MOSFET可使800V级的电路采用两电平拓扑,简化了电路设计,进一步提高了功率密度。本20kW的參考设计验证了这种架构的可行性,并实现功率密度大幅度提升。 


充电桩电源模块设计目标


现有设计为2个板卡设计,功率:20kW,体积:2U x 5U x 9U, 功率密度:2.5W/mm3。


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新设计目标:减少或消除内部总线电容,单板结构,降低无源元件和组装成本,利用SiC MOSFET,在不牺牲效率的情况下增加频率,只需使用两电平拓扑。


几种主流拓扑结构


拓扑结构1:VIENNA PFC + 三电平移相全桥,三电平PFC实现了卓越的效率,但需要大容量电容器来保持电路的稳定性。


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拓扑结构2:VIENNA PFC + 串联LLC,难以实现宽输出电压范围,难以适应各种电动汽车充电电压范围。


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拓扑结构3:三电平PFC+串联BUCK,该拓扑实现了卓越的效率、功率密度和宽输出电压范围以及恒定功率能力。出于安全原因,需要一台工频隔离变压器。


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基于SiC的拓扑选择和驱动电路要求


在系统功率整体架构中,电池充当超级电容器,并使DC-X在最佳效率点运行,前级PFC工作在电流源模式下,PFC输出电流通过DC-X为电池充电,PFC输出电压被反射的电池电压钳位,PFC输出和DC/DC输入之间只需要有限的薄膜电容器。


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在PFC架构中,在理想情况下,PFC输出功率是连续的,不存在工频级别的谐波电流,Co是薄膜电容器,用于开关电流纹波吸收。   


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在DC-X架构中,使用1200V SiC MOSFET时,PFC输出电压可从600V到900V,通过在变比4:7和6:7之间切换增益,DC-X输出范围从330V到500V或从500V到750V。


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当继电器K闭合时,变压器变比改变,同时二次侧变为倍压整流,输出电压从低压范围切换到高压范围。


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可靠的门极驱动器起着关键作用,瞻芯电子IVCR1401 栅极驱动芯片,集成内部负压,Desat保护,以及米勒抑制。


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驱动瞻芯电子SiC MOSFET IV1Q12050T4(用于前级PFC电路)


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驱动瞻芯电子SiC MOSFET IV1Q12050T3(用于后级LLC电路)


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实验数据


整体系统由两块板组成,每块板大小为1U x 2.5U x 9U,组成系统大小为1U x 5U x 9U。为了方便单独调试,PFC输出安装了大电解电容。


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PFC测试数据,在输入电压三相380V,输出电压800V时测得效率和iTHD曲线


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LLC测试数据,为了避免开关频率的电流纹波,并联LLC变换器必须以相同的频率工作,不同的谐振频率会导致不同的输出电流或功率,对于全桥LLC变换器,可以使用移相控制来平衡其输出电流。


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系统测试数据,在直流输出端连接一个20x2x330uF/450V电容器组,以模拟电池组。PFC输出电解电容降低至68uF。DC-X输入电容器为2x12uF的薄膜电容器。


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下面的效率曲线在交流输入三相400V,输出高压655V,低压435V时测得。


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3种设计方案的比较


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瞻芯电子方案的优点:

提高了功率密度,减少了PFC输出电容,开关频率提高2-3倍,2电平拓扑简化了电路设计,在高开关频率下具有良好的效率。


总结和后语


电流源PFC加DC-X是一个崭新的架构,测试验证了电路的可行性

这一架构可减少PFC输出电容,提高功率密度和产品可靠性

1200V SiC MOSFET使电路可采用两电平拓扑,简化电路,提高功率密度

IVCR1401 SiC MOSFET专用驱动IC,简化电路设计,确保电路可靠安全运行


基于1200V SiC MOSFET的电流源PFC加DC-X的架构是实现高效率高密度设计的一个很有前景的途径,在后续的全系统验证中,希望有电源公司和电池公司参与,共同开发,进一步推进充电桩模块设计的更新换代。




    文章来源:PCIM电力元件可再生能源管理展



2022上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2022年8月31日至9月2日在上海新国际博览中心举行;上海电子展更多资讯,详情请登陆官网 https://pcim.gymf.com.cn

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