【導讀】近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)的數量在全球范圍內不斷增長(cháng)，如純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）或插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）。此外，還有許多因素引起了人們的懷疑，比如說(shuō)，目前每個(gè)終端用戶(hù)的碳排放量仍然很低（除此之外，還有一些因素可以降低終端用戶(hù)的碳排放量）。毫無(wú)疑問(wèn)，電動(dòng)汽車(chē)的吸引力取決于電池。這些車(chē)輛的普及和適應能力，以及這一細分市場(chǎng)的增長(cháng)潛力，都取決于高可靠性和持久性的電池性能。電池性能和耐久性在很大程度上取決于充電技術(shù)和方法。在本文中，我們將更深入地研究車(chē)載充電系統的體系結構，并詳細介紹PFC和DC-DC拓撲中最流行的結構。
經(jīng)典升壓PFC
實(shí)現功率因數校正功能的最簡(jiǎn)單拓撲是使用簡(jiǎn)單的boost轉換器拓撲，如圖1所示。這種拓撲結構也被稱(chēng)為經(jīng)典PFC或經(jīng)典boost PFC。電路由高頻開(kāi)關(guān)和二極管、電感和交流輸入側的二極管橋式整流器組成。在直流輸出端，通常使用緩沖帽來(lái)穩定輸出電壓。實(shí)現高功率因數的最常見(jiàn)的工作模式是連續導通模式（CCM），它是通過(guò)開(kāi)關(guān)和二極管之間的電流源換流來(lái)實(shí)現的。這種拓撲提供了從交流輸入到直流輸出的單向功率流。
圖1:boost PFC的工作原理（為了更好地理解原理操作，建議在S1上加一個(gè)二極管，但省略了）
由于難換相，要求半導體能夠承受連續換流。因此，一個(gè)合理的選擇是使用合格的CoolSiC™ 肖特基二極管650 V Gen5器件，用于位置“D1”，而各種開(kāi)關(guān)適合作為功率因數校正級的電源開(kāi)關(guān)。例如，英飛凌的TRENCHSTOP™ AUTO 5 IGBT提供高速開(kāi)關(guān)功能，擊穿電壓為650 V。這些igbt可作為單個(gè)igbt或帶有集成反并聯(lián)Si或SiC二極管的igbt。如果選擇的器件是單個(gè)IGBT，我們建議在集電極和發(fā)射極節點(diǎn)之間使用一個(gè)小的反并聯(lián)PN二極管，以避免IGBT上出現負電壓尖峰。當目標是在簡(jiǎn)單的PFC拓撲中實(shí)現最高效率時(shí)，我們建議使用MOSFET而不是IGBT。最新的汽車(chē)CoolMOS™ 一代，CoolMOS™ CFD7A，完美地配合了SiC二極管作為對應物的拓撲結構。這種MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是在溝道中具有電阻行為，不受尾流的影響，并且比IGBT具有更低的開(kāi)關(guān)損耗。所有這些優(yōu)點(diǎn)轉化為更低的功率損耗，因此，更高的轉換效率。
在這種拓撲結構中也可以使用寬帶隙晶體管；但是，這不會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的好處，因為SiC和GaN晶體管由于拓撲的自然性能而不能被充分利用。
圖2：?jiǎn)蜗嘬?chē)載充電器功率因數校正級示例：a）集成SiC二極管的IGBT，b）帶外部保護二極管的單個(gè)IGBT，c）CoolMOS™ CFD7A（帶本征體二極管）
圖騰柱PFC
雙向車(chē)載充電器的常見(jiàn)拓撲結構是所謂的圖騰極PFC（圖3）。在此設置中，所有二極管都被有源功率開(kāi)關(guān)取代，以實(shí)現雙向功率流能力。使用有源開(kāi)關(guān)代替二極管的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是效率提高。盡管如此，這種修改也增加了復雜性，因為必須在電路中控制更多的開(kāi)關(guān)。
圖3：圖騰極PFC拓撲
圖騰極PFC由快速切換段（“S1”和“S2”）和慢速切換段（“S3”和“S4”）組成。“S1”和“S2”要求半導體能夠承受高頻下兩個(gè)有源開(kāi)關(guān)之間負載電流的硬換相。因此，“S1”和“S2”的最佳選擇是使用TRENCHSTOP™ H5 IGBT或CoolSiC™ MOSFETs。慢開(kāi)關(guān)段（“S3”和“S4”）中的開(kāi)關(guān)實(shí)現相位校正功能。因此，在交流輸入的過(guò)零點(diǎn)（零電壓開(kāi)關(guān)）期間，它們會(huì )隨著(zhù)交流頻率接通和斷開(kāi)。
圖4:a）IGBT，b）SiC MOSFET，c）IGBT和CoolMOS的圖騰極PFC™ CFD7A（相位整流器）
實(shí)現圖騰極PFC的一種常見(jiàn)方法是在位置“S1”、“S2”、“S3”和“S4”使用IGBT開(kāi)關(guān)。英飛凌的高速TRENCHSTOP™ IGBT是車(chē)載充電器系統的最佳IGBT選擇。CoolMOS™ CFD7A建議用于慢開(kāi)關(guān)半橋（“S3”和“S4”），以進(jìn)一步提高效率。由于交流頻率下的軟開(kāi)關(guān)特性，將超級連接mosfet設計成相位整流橋是可能的。用四個(gè)CoolSiC實(shí)現硬開(kāi)關(guān)圖騰極PFC是可能的，因為CoolMOS™ MOSFET具有超低的反向恢復電荷。CoolSiC ™ mosfet的另一個(gè)優(yōu)勢是擊穿電壓為1200v，支持更高的直流鏈電壓（高于650v）。
移相全橋
一種常用的DC-DC拓撲是所謂的移相全橋（圖5），由DC-DC變換器初級側的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和次級側的整流組成?；谶@種拓撲結構的最先進(jìn)的車(chē)載充電器使用基于硅或碳化硅的mosfet。由于緊湊型DC-DC變換器對開(kāi)關(guān)頻率的要求很高，IGBT不適合這種拓撲結構。
圖5：相移全橋拓撲結構，包括二次側的二極管
這種拓撲的一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是效率高，因為它可以在較寬的負載范圍內進(jìn)行軟交換。這意味著(zhù)，儲存在mosfet寄生電容中的能量可以重新循環(huán)，降低功率損耗，減少散熱，提高轉換效率。一次側的附加電感器（Lr）確保了mosfet的軟開(kāi)關(guān)。然而，由于這種拓撲結構的固有特性，不能在整個(gè)輸出范圍內實(shí)現所有mosfet的全ZVS。通常，不同mosfet的硬開(kāi)關(guān)發(fā)生在輕負載條件下（當諧振能量不足以維持ZVS時(shí)）。這種硬開(kāi)關(guān)現象也是英飛凌推薦具有快速二極管特性的硅mosfet（如CoolMOS™ CFD7A）的原因或像CoolSiC™ MOSFET這樣的寬禁帶系列用于汽車(chē)應用，確保長(cháng)期可靠運行。
這種拓撲的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與LLC變換器相比，控制工作量相對較低。功率流的調節是通過(guò)控制兩個(gè)半橋腿之間的相移來(lái)實(shí)現的，而不需要修改頻率或占空比。此外，PSFB拓撲能夠獲得比LLC變換器更大的轉換比。
二次側的任務(wù)是對一次側傳輸的能量進(jìn)行校正。有幾種方法可以實(shí)現這一點(diǎn)。一種方法是使用全橋整流（如圖5所示）或中心抽頭變壓器。對于這兩種變體，二極管或有源mosfet是最常見(jiàn)的選擇。
雙向移相全橋拓撲
圖6：雙向使用的移相全橋拓撲
如果DC-DC的二次側采用有源開(kāi)關(guān)，并且采用適當的控制策略，則移相全橋拓撲也可以用于雙向車(chē)載充電器。圖6說(shuō)明了雙向PSFB的概念。如圖所示，不需要進(jìn)一步修改硬件組件來(lái)支持雙向功率流。
LLC拓撲
LLC拓撲是達到最高轉換效率的理想選擇。與PSFB相比，LLC拓撲允許實(shí)現更高的效率，從而在運行期間降低損耗，并實(shí)現更高的功率密度轉換器。車(chē)載充電器中使用的大多數LLC轉換器都是全橋LLC轉換器。一次側的全橋配置有助于減少通過(guò)功率開(kāi)關(guān)的電流，因為變壓器的一次側繞組驅動(dòng)的電壓是半橋LLC轉換器的兩倍。由于電壓加倍，在給定的變壓器尺寸下，可以傳輸雙倍的功率。盡管如此，這一原則適用于所有半橋/全橋變換器，而不是LLC變換器的獨特性，但由于將半橋LLC變換器用于低功率應用更為常見(jiàn)，因此我們在這里重點(diǎn)討論這一點(diǎn)。
設計良好的LLC拓撲結構的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在滿(mǎn)負荷范圍內實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。然而，mosfet的硬開(kāi)關(guān)很容易在啟動(dòng)時(shí)發(fā)生，并且僅在某些關(guān)鍵條件下（即“電容模式”操作）。
除了優(yōu)點(diǎn)之外，LLC拓撲還有一個(gè)缺點(diǎn)：功率流是通過(guò)可變頻率而不是通過(guò)脈寬調制控制信號的可變占空比來(lái)控制的。由于所需的頻率范圍，電磁干擾濾波器的設計可能變得更具挑戰性。此外，由于很難規定均流，LLC變換器并聯(lián)級的同步變得更加復雜。圖7顯示了車(chē)載充電器中使用的典型全橋LLC轉換器，其中轉換器的二次側也設計為全橋。
圖7：?jiǎn)蜗蜻\行的全橋LLC變換器（二次側帶有源同步整流）
結論
電動(dòng)汽車(chē)的吸引力取決于電池。半導體技術(shù)的進(jìn)步需要實(shí)現更高的效率和最高的性能，使電動(dòng)汽車(chē)成為傳統交通工具的便捷和環(huán)保的替代品。為了滿(mǎn)足現代非車(chē)載充電器設計的要求，各種拓撲結構和技術(shù)在今天是可用的。所以，我們的任務(wù)是使它們完美匹配。
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