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Wolfspeed WolfPACK公司™ 电源模块平台:加速充电器快速发展

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作者:碳化硅肖特基二极管工程师来源:科锐(CREE)

  随着电动汽车(EV)在汽车市场中占有越来越大的份额,对在线快速充电的需求将不断增加。在与内燃机(ICE)加油时间相匹配的竞赛中,这些充电器将需要提高功率规格。在没有过大电缆的情况下提供高功率需要相对较高的输出电压。这些设计要求的结合使得SiC电源模块成为快速充电器设计的理想选择。


  SIC碳化硅功率器件的应用!


  1.三相交流输入


  2.隔离建筑(出于安全目的)


  3.60kW+每个转换器单元的输出功率


  4.稳压直流输出,高达800V


  通过选择每个转换器单元60千瓦,每个转换器单元能够单独为车辆快速充电。然而,多个电池可以并联使用,以获得更高的功率水平,从而实现更快的充电。


  此外,本应用程序中讨论的转换器构建块旨在扩展到备用系统。为了**限度地为这些系统的机会,能力,允许双向功率流被添加到转换器的要求。

offboard_dc_charger.jpg

  设计空间


  为了满足直流快速充电的设计要求,有许多潜在的结构可以开发。为了评估潜在的设计空间,在高层次上审查了几种候选体系结构。


  建立稳压直流母线的传统方法是先用50/60hz变压器降压,然后进行无源整流,最后在中间直流母线上增加一个稳压变换器(如buck变换器)。虽然使用有源前端(AFE)整流器可以提高这种架构的性能,但这并没有解决该架构的主要缺点。具体来说,一个60千瓦,50/60赫兹变压器增加了显着更大的规模,成本和损失比一个高频变压器。


  两级结构通过使用具有调节输出的隔离变换器拓扑消除了低频隔离变压器。通过将调节和隔离都包含在单个转换器中,可以消除低频变压器,同时最小化系统的总复杂性和有源器件的数量。


  当整流器负载的功率/电流要求超过有源器件的电流能力时,可以将多个器件并联以满足要求。然而,交替附加的校正阶段是有益的。这是因为整流器的性能可以提高在类似的组件成本。具体地说,对于给定的电感尺寸,交错级可以降低纹波电流,提高变换器功率因数,并且可以提高容错性。上面的示意图显示了两个交错的相位;但是,可以根据需要添加更多的相位,以达到转换器的功率要求。


  这些主要与调节方法有关,调节方法要求改变开关频率(而不是像传统的PWM转换器那样控制占空比)。一个结果是,负载不能是任意的,必须在谐振腔的设计过程中加以考虑。实际上,负载电流限值可以在快速充电应用的设计阶段确定,因此这一缺点很小。频率控制的另一个后果是对电磁干扰(EMI)的影响。对于固定频率变换器,可以设计一个窄带EMI滤波器来强烈抑制开关频率附近的EMI。在变频转换器中,EMI滤波器需要更大范围的抑制。最后,LLC通常会对变压器电流产生较大的无功分量,从而增加无功能量。无功功率比实际变压器功率高三倍是可行的,大大提高了所需变压器功率处理相关无功能量的能力。


  三级结构将两个变换器之间的隔离和调节功能分开,增加了系统的复杂性。尽管如此,与两阶段架构相比,三阶段架构有几个特定的优势。例如,转换器子系统的选择可以单独优化。三级结构最重要的优点是增加了一个隔离直流母线,可用于并网存储和负载缓冲。


  快速充电器设计中的一个重要因素是电网提供的峰值功率。如果充电基础设施的期望输出功率超过系统的设计峰值输入功率,则可能需要使用并网储能实现负载平衡。这使得能量可以在充电循环之间缓慢拉动,并在施加外部负载时快速输送。在这种情况下,能量存储量相当高,因此可能需要电池存储以外的技术。这种体系结构的另一种用途是利用较小的存储量来管理短峰值,并通过降低从电网中提取的功率的变化率来平滑整个电网需求。如果并网变流器和隔离级的设计允许双向能量流动,那么当充电器不使用时,操作员也可以使用这种并网存储来辅助电网峰值需求。

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