本文作者：Pradip Chatterjee（德國瓦爾施泰因）英飛凌電動汽車充電應用負責人

針對大功率充電樁（HPC）的工作運行范圍和充電時序乃至通信和接口等一切要素，國際標準化組織中的工作組都已制定了相應的標準。在歐美，相關方面已經同CharIN（電動汽車充電接口倡議組織）及其提出的“聯合充電系統”（CCS）展開合作。其它國家也已制定類似的標準，其中包括日本的CHAdeMO和中國的國標GB/T。某些汽車制造商也對開發專有充電解決方案給予了重視。對于希望參與這一市場的制造商而言，選擇模塊化的方案顯然是必經之路。本文要講述的就是如何采用模塊化的方案來實現這一目標。

幾十年來，車主已在不知不覺地被無所不在的加油站網絡慣壞。必須圍繞加油站點來計劃最優行程的想法，根本不會出現在他們的腦海中。然而，對于考慮購買或租賃純電動汽車（BEV）的用戶而言，這大概是他們首先想到的問題之一。雖然很多人使用電動汽車主要是進行續航里程范圍內的短途旅行，但遇到周末外出或年假這樣的例外情況就需要考慮充電問題了。

停在家中時，我們的BEV可以慢慢地充上一夜電。許多大都市大城鎮也已開始部署公共充電樁，讓我們在購物時也能給汽車充電?，F實是，至少就長途旅行而言，電動車的充電時間需要能接近內燃機車加油所需的時間。一個22kW的家用交流充電樁，充電120分鐘可以提供200公里左右的續航里程。如果想將這個時間縮短到7分鐘，則需要采用350kW的快速直流充電樁。

對于希望參與這一市場的制造商而言，選擇模塊化的解決方案顯然是必經之路。模塊化方案有助于重新利用終端產品的某些部件，比如通用的外殼和冷卻方案，同時可以根據目標市場的需求來選擇接口、電纜和電子部件等等。

快速直流充電樁的電力電子設計方法

在裝有快速充電大功率充電樁（HPC）的充電站，需要有專門的低壓或中壓（LV/MV）電氣基礎設施來為它們供電。預計這將主要安裝在城際交通干道沿線的高速公路服務站等地方。輸入的交流電源將電能輸送到隔離變壓器，再由二次側轉換為直流電。采用雙二次繞組?/Y變壓器是常用的解決方案。

圖1：整流單元可以通過使用一個1200V CoolSiC™ MOSFET模塊來輕松實現

圖2：Easy 2B封裝的半橋模塊（如F3L15MR12W2M1_B69）是Vienna整流的理想選擇

這些移相變壓器與多脈沖整流器相結合，以串聯或并聯的方式運行，以減少輸入端的諧波含量。在這種設計中，雖然可以通過選擇合適的DC/DC拓撲來實現隔離，也需要使用能改善諧波含量的變壓器。這里要做的第一個設計決策是選擇采用通用交流母線方式還是通用直流母線方式。

對于通用交流母線方式，變壓器的二次側為多個AC/DC整流單元供電，后者再為它們自己的DC/DC單元供電。這種做法的優勢在于，可以簡化充電樁的整體設計概念。但是，每個AC/DC整流單元都需要用到濾波器、控制器和傳感器，這會使得總成本更高。就目前而言，支持面向電網的電能回饋（比如汽車向電網輸電（V2G）和汽車向樓宇輸電（V2B）等）還不是強制性要求。但如果這一要求發生改變，還會使成本和復雜度進一步提高。

通用直流母線方式是指，用一個AC/DC整流單元輸出DC電壓來為所有DC/DC單元供電。經證明，這種方式更為優越，因為它能減少器件數量和成本，同時還能提高整體效率。當V2G和V2B成為強制性要求時，進行升級改造也會更簡單。直流母線也更容易與可能部署的其它能源系統（如本地電池儲能系統、光伏發電系統等）相整合。最后，當前直流充電樁標準也支持集中式充電站使用一個整流單元作為多個電池充電器的前端的方案。主要劣勢在于如此大功率的整流單元體積會比較大。

支持2-3MW功率的充電站更傾向于通用直流母線方案，用它可以為6-8個大功率的DC/DC充電單元供電。

AC/DC整流單元介紹

高效率的AC/DC整流電路之所以能夠實現，得益于最新的功率晶體管技術，高性能的單片機（MCU）和數字信號處理器（DSP）。它們一方面確保從電網提取正弦電流、低諧波畸變（THDi ≤ 5%）及獨立控制有功和無功，另一方面確保進行及時的動態響應控制。以功率因數校正方式運行可確保消除來自電網的無功功率損耗。最后，如果所選的拓撲結構支持，直流側和交流側之間的雙向能量流動將變得相當簡單。

兩電平電壓源變換器（2L-VSC）是應用最廣泛的拓撲結構之一。它包含一個由6個開關器件（通常為IGBT或SiC MOSFET）組成的陣列，以及一個作為直流母線、輸出電壓高于輸入電壓的電容器。該整流單元還支持雙向能量流動，并能提供完全可調的功率因數。其開關控制方式可以使用脈寬調制（PWM）或空間矢量調制（SVM）。

借助1200V CoolSiC™ MOSFET模塊FS45MR12W1M1_B11（圖1），很容易實現這個整流單元。模塊包含6個開關器件，它們都被整合在同一EasyPACK™ 1B封裝中，該封裝采用低雜感設計，并集成NTC溫度傳感器。也可考慮半橋解決方案，比如采用EasyDUAL™ 1B封裝的FF11MR12W1M1_B11?；谶@些器件的設計可在25-45kHz的開關頻率下達到60-100kW的功率。

如果不需要雙向能量流動，則Vienna三相三電平整流器將成為流行的方案。它只需要三個有源開關，并能實現正負升壓功率因數校正（PFC）。當控制電路發生故障時，它可以防止輸出端或輸入端發生短路，甚至能在失去一相輸入的情況下正常工作。采用分立式元件組裝所需付出的工作量可能很大，但在大功率應用場合，更常用的是集成式功率模塊。

通過使用F3L15MR12W2M1_B69這種基于Easy 2B封裝的SiC模塊，可以實現正負升壓PFC Vienna整流器（圖2）。每個模塊含有兩個1200V快速整流二極管、兩個1600V慢速整流二極管和兩個1200V、15mΩ SiC MOSFET。三個這樣Easy 2B封裝的模塊可以很容易地設計出緊湊、大電流、低損耗的整流單元（圖3）。

提供可變直流輸出充電電壓

CharIN定義的直流充電樁規格，支持的輸出電壓必須在200V到920V之間，能提供最大500A的電流，并且能在最高350kW的功率范圍內運行。有一系列隔離型和非隔離型的DC/DC拓撲可以用來解決這個挑戰。

無論選擇哪種拓撲，都有幾個必須滿足的關鍵要求。實際尺寸和總體成本是重點要求，而電磁干擾（EMI）方面的規定也必須遵守。同時零電壓或零電流開關（ZVS/ZCS）,最高效率，并支持所需的最大功率。最后，確保輸出端的電壓和電流紋波最小，從而防止電池過熱。

圖3：使用Easy 2B Vienna整流器和全橋DC/DC模塊的60kW高效率設計

采用高開關頻率（HF）隔離變壓器的拓撲結構（如全橋LLC諧振轉換器），素以在諧振頻率下擁有最高效率而著稱。由于一次側開關工作在ZVS，二次側二極管工作在ZCS，所以它們還具有與生俱來的高效性。遺憾的是，支持所需的寬輸出電壓范圍，使得采用這種方式發展充電樁非常具有挑戰性。

考慮到輸出功率大于100kW，并且隔離可以通過電網側變壓器來保障，所以可以使用非隔離型升/降壓變換器。在多相配置中，它可以達到最高98.5%的效率。這種方法還可顯著降低由電壓波動引起的電流波動。模塊化設計使其尺寸和運行參數很容易適應各種需求變化，包括輸出，性能或外形的改變。

散熱解決方案

雖然功率變換器如今已能達到不可思議的效率水平，但當快速直流充電樁滿載運行時，僅僅1%的效率降幅，就相當于有3.5kW的功率被以熱量的形式耗散掉。單是線纜就能增加每米100W的額外損耗。強制風冷已不能滿足大功率充電樁（HPC）的散熱需求，不僅電力電子器件還有端子和線纜都需要借助于液冷散熱。

這里存在的挑戰是，許多液體冷卻劑都有易燃、易降解、易腐蝕和易致毒的問題。水-乙二醇混合液如今已被證明是線纜和端子的常用冷卻液。介電冷卻劑也已被成功開發出來，其中就有成功應用于ITT Cannon大功率充電樁（HPC）中的3M™ Novec™。冷卻系統與獨立式或集中式的散熱器（取決于充電站的配置）相配合。

結論

BEV的接受度在某種程度上取決于可用的充電基礎設施。然有些擔憂可以通過更好地推廣現有的充電站網絡來緩解，但是要想緩解人們對于長途旅行時的續航里程的焦慮，還需要投資快速直流充電技術的大功率充電樁。液冷將是散熱解決方案中必不可少的一個組成部分，這就需要所選的電氣拓撲和元器件既高效，又能容易與散熱方法對應的機械系統相集成。包括二極管和開關管在內的碳化硅器件，將構成設計中不可或缺的一部分，從整流單元到為實現電池充電輸出而選擇的DC/DC拓撲，都有它們的存在。