兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)架構(gòu)、雙有源橋的應(yīng)用前景等

電動(dòng)汽車充電樁的電壓等級(jí)分類、現(xiàn)代電動(dòng)汽車充電樁的規(guī)格概覽

分立組裝與模塊組裝、兆瓦級(jí)充電的可行性實(shí)現(xiàn)路徑、液冷難題等。

本文將介紹功率因數(shù)校正的工作原理、三相有源整流器的優(yōu)勢(shì)、三相有源整流器的工作原理等。

功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)

電動(dòng)汽車對(duì)快速充電能力的需求不斷攀升，坦白說，這種需求十分迫切。預(yù)計(jì)到2027年，直流快速充電 (DCFC) 市場(chǎng)將以高達(dá)30% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

安森美（onsemi）對(duì)該市場(chǎng)的貢獻(xiàn)之一是25 kW DCFC參考設(shè)計(jì)。它將同時(shí)適配北美480 VAC三相輸入電壓標(biāo)準(zhǔn)和歐洲400 VAC三相標(biāo)準(zhǔn)。它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸出電壓范圍為50 VDC至1000 VDC，整個(gè)范圍內(nèi)均能提供25 kW功率，但針對(duì)800 V電池進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于低于500 V的電壓，該功能塊會(huì)降低功率，將輸出電流限制在50 A，以符合現(xiàn)有電動(dòng)汽車的直流充電標(biāo)準(zhǔn)，例如CCS和CHAdeMO。

25 kW功能塊的有源前端 (AFE) 是一個(gè)帶功率因數(shù)校正 (PFC) 的AC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。其后方是一個(gè)雙有源橋DC-DC級(jí)，使用兩個(gè)PIM或兩組PIM，在電網(wǎng)和電動(dòng)汽車電池(負(fù)載)之間提供完全隔離，繞過電動(dòng)汽車的OBC，并調(diào)節(jié)輸出端的電壓和電流。這種輸電系統(tǒng)可以是雙向的，不僅可將多余電力回饋至電網(wǎng)以降低成本，還能利用光伏和電池能源增強(qiáng)電網(wǎng)供電能力。

功率因數(shù)校正的工作原理

功率因數(shù)校正 (PFC) 是使輸出功率盡可能接近輸入功率的過程。從數(shù)學(xué)角度來說，功率因數(shù)PF計(jì)算如下：

這里，實(shí)際功率是指在一個(gè)給定周期內(nèi)，電流和電壓瞬時(shí)乘積的平均值。同時(shí)，視在功率是指電流的均方根值 (rms) 與電壓的均方根值的乘積。從這個(gè)意義上講，它體現(xiàn)了實(shí)際輸出功率與所測(cè)電壓和電流特性的匹配程度，也就是“感受到的功率”與“儀表上顯示的功率”之間的差異。

設(shè)想您聽到兩個(gè)人唱兩個(gè)音符，一個(gè)人發(fā)出“嗚”的聲音，另一個(gè)人發(fā)出“咿”的聲音。即使這兩個(gè)音的音高完全一致，聲波的疊加也會(huì)產(chǎn)生您能聽見的諧波——就像有第三個(gè)人與之合唱。當(dāng)傳輸干凈的電力時(shí)，PFC 的作用不僅是將輸出波形修整得更順滑，而且要清除伴生的諧波。

上面這組電源輸出演示波形就說明了這一點(diǎn)：輸入電壓決定波的相位和頻率。 但是，當(dāng)輸入電流不匹配時(shí)， 諧波就會(huì)產(chǎn)生， 使功率波不夠純凈， 進(jìn)而產(chǎn)生失真， 降低PF 值（在這種情況下， 降低至大約 60%） 。 測(cè)量發(fā)現(xiàn)， PFC一旦應(yīng)用諧波抑制，相同電流會(huì)產(chǎn)生更大的實(shí)際功率， 使 PF 更接近100%。

三相有源整流器的優(yōu)勢(shì)

任何AC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為了高效、可靠地傳輸10 kW以上的功率，都需要在前端采用三相PFC拓?fù)洹Ｈ嗾髌骺娠@著降低電源中的干擾和諧波成分，從而為鋰離子電池輸送更穩(wěn)定的電力。(可將PFC理解為提供類似于“高辛烷值燃料”的服務(wù)。)

三相PFC提供恒定的直流功率輸出，而單相系統(tǒng)則提供可變輸出功率，通常需要低頻濾波器。SiC MOSFET和二極管的引入，使快速EVC等大功率應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)；得益于更高的擊穿電壓和更低的開關(guān)損耗，功率器件的效率得到了提升。這就為EVC等系統(tǒng)充分發(fā)揮三相電的優(yōu)勢(shì)鋪平了道路。

采用家用120 VAC之類的單相電源輸入時(shí)，瞬時(shí)輸出電壓和電流始終存在波動(dòng)。這一特性使得實(shí)際系統(tǒng)常常需要使用低頻濾波器來達(dá)到平衡。

若要將單相系統(tǒng)的功率輸出提升至三倍，輸電導(dǎo)線的數(shù)量也需相應(yīng)增至三倍：電壓相線三根，中性線三根。相比之下，采用平衡的三相電源輸入時(shí)，每個(gè)電壓相對(duì)于其他兩個(gè)電壓都有±120°的相移。因此，三個(gè)電壓之和始終為零，從而無(wú)需任何中性線。現(xiàn)在三根導(dǎo)線就能勝任六根導(dǎo)線的工作。

三相有源整流器的工作原理

前端

第一級(jí)使用三對(duì)二極管。每一對(duì)都與一個(gè)交流電壓波相關(guān)聯(lián)，每對(duì)二極管中的一個(gè)二極管代表波峰，另一個(gè)二極管代表波谷。只有當(dāng)電壓波接近或處于峰值或谷值時(shí)，電流才會(huì)流過二極管。

此第一相的輸出是僅含紋波的直流電流。此第一相利用安森美使用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——T型中性點(diǎn)箝位 (T-NPC)，如下圖所示——實(shí)現(xiàn)了雙向傳輸能力。它是一個(gè)采用三電平開關(guān)設(shè)計(jì)的1200V整流器，沿中性線路徑以背靠背配對(duì)方式增加了六個(gè)雙向開關(guān)。這樣就無(wú)需使用整流橋來實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

三電平開關(guān)不應(yīng)與三相整流相混淆，盡管前者對(duì)PFC頗有益處。如上圖所示，當(dāng)開關(guān)處于“零電平”狀態(tài)時(shí)，更容易利用其來構(gòu)建更近似最終輸出的波形。三電平開關(guān)拓?fù)浯蟠蠼档土碎_關(guān)功率損耗，因?yàn)橹挥幸话氲目傒敵鲭妷鹤饔糜谀承┒O管上。它還能減少電流紋波和電磁干擾，使電流更容易通過更小、更緊湊的電感器進(jìn)行濾波，或者在可行的情況下，借用變壓器固有的電感能力進(jìn)行濾波。最適合三電平開關(guān)的器件通常是650 V SiC MOSFET。

調(diào)制器

三相整流器第二級(jí)的作用是使輸出波形平滑。首先，正負(fù)極之間的電容在紋波過大時(shí)吸收電子，在紋波處于或接近谷值時(shí)釋放電子。三相系統(tǒng)不需要大電容。

接下來，采用脈沖波調(diào)制 (PWM) 將這種平滑的直流電流塑造成在目標(biāo)頻率下近似正弦波的波形。為了完成調(diào)制，六個(gè)IGBT充當(dāng)波形反相器的雙向開關(guān)。對(duì)于每種設(shè)置，這些開關(guān)按精確且變化的時(shí)序?qū)ê完P(guān)斷，從而改變電流路徑。電流輸出疊加后，整體波形更加平坦。

包含整流器的PFC功能塊汲取與交流輸入電壓同相的交流電流，從而在最大限度提升功率因數(shù) (PF) 的同時(shí)，盡量減少諧波失真。理想情況下，功率因數(shù)保持在1或非常接近1的水平，且沒有任何失真。PF應(yīng)保持在0.97到1.0之間。