充電樁模塊電路教學(xué)文稿

1、學(xué)習(xí)資料最近這幾年充電模塊是熱門，從最開始的7.5kW、10kW 到后面的15kW、20kW ,功率等級(jí)不斷的提高。市場(chǎng)上的充電模塊絕大部分都是三相輸入，PFC部分也基本都是采用的三相無中線 VIENNA 結(jié)構(gòu)的拓?fù)?。借這次技術(shù)分享的機(jī)會(huì)，分享一下個(gè)人對(duì)三相VIENNA 拓?fù)涞睦斫?，希望和大家一起探討交流。我?huì)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行說明：主電路組成工作原理控制模式控制地的選擇母線均壓原理原理仿真一、主電路的組成如圖所示，是三相 VIENNA PFC 拓?fù)涞闹麟娐?，大致如?僅供學(xué)習(xí)與參考cUTTA；ri . tj,lX X*t» *>H一 l j- - -r. r - f；rw P

2、r-i；h!1±± liJT；加一 口 山工Lb-Hl i Jine,力Thrcv-phj itirck'vcl boost tyjK rix【ifk.1 .三相二極管整流橋，使用超快恢復(fù)二極管或SiC二極管；2 .每相一個(gè)雙向開關(guān)，每個(gè)雙向開關(guān)由兩個(gè)MOS管組成，利用了其固有的反并聯(lián)體二極管，共用驅(qū)動(dòng)信號(hào)，降低了控制和驅(qū)動(dòng)的難度。相比其他組合方案，具有效率高、器件數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)；3 .電流流過的半導(dǎo)體數(shù)量最少，以 a相為例：?雙向開關(guān)Sa導(dǎo)通時(shí)，電流流過 2個(gè)半導(dǎo)體器件，euo=0 ,橋臂中點(diǎn)被嵌位到PFC母線電容中點(diǎn)；?雙向開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電流流過1個(gè)二極管，iu&g

3、t;0 時(shí)euo=400V , iu<0 時(shí)euo=-400V橋臂中點(diǎn)被嵌位到 PFC正母線或負(fù)母線。二、工作原理PF電路的工作方式靠控制 Sa、Sb、Sc的通斷，來控制PFC電感的充放電，由于PFC的值很接近1 ,在分析其工作原理時(shí)可以認(rèn)為電感電流和輸入電壓同相，三相點(diǎn)平衡，并且各相差120度；1.主電路的等效電路三相三電平 Boost整流器可以被認(rèn)為是三個(gè)單相倍壓Boost整流器的Y型并聯(lián); 三個(gè)高頻 Boost電感，采用 CCM模式，減少開關(guān)電流應(yīng)力和EMI噪聲; 兩個(gè)電解電容構(gòu)成電容中點(diǎn)，提供了三電平運(yùn)行的條件;Fig, 2, Single-phase voltage-doubl

4、er boost ivctilkr.這個(gè)eun的表達(dá)式非常重要。2 .主電路的開關(guān)狀態(tài)三相交流電壓波形如下，U、V、W 各相差120度三相交流電壓波形通過主電路可以看出， 當(dāng)每相的開關(guān) Sa、Sb、Sc導(dǎo)通時(shí)，U、V、W 連接到電容的中點(diǎn)O,電感La、Lb、Lc通過Sa、Sb、Sc充電，每相的開關(guān)關(guān)斷時(shí)，U、V、W 連接到電容的正電平（電流為正時(shí)）后者負(fù)電平（電流為負(fù)時(shí)），電感通過D1-D6 放電，以030度 為例，ia、ic大于零，ib小于零。每個(gè)橋臂中點(diǎn)有三種狀態(tài)，三個(gè)橋臂就是3A3=27 種狀態(tài)，但不能同時(shí)為 PPP和NNN 狀態(tài)，故共有25種開關(guān)狀態(tài)（見下期下載鏈接）。3 .主電路的發(fā)

5、波方式主電路的工作狀態(tài)與發(fā)波方案有較大的關(guān)系，采用不同的發(fā)波方案會(huì)在每個(gè)周期產(chǎn)生不同的工作狀態(tài)。一般Vienna 拓?fù)洳捎?DSP數(shù)字控制，控制靈活，可移植性強(qiáng)。采用單路鋸齒波載波調(diào)制電流環(huán)控制器輸出的調(diào)制信號(hào)被饋送給鋸齒波載波，保持恒定 的開關(guān)頻率；在030度這個(gè)扇區(qū)內(nèi)，每個(gè)周期產(chǎn)生4個(gè)開關(guān)狀態(tài)，由于波形不對(duì)稱，電流波形的開關(guān)紋波的諧波比較大；采用該種方式進(jìn)行調(diào)試，橋臂中點(diǎn)線電壓的最大步進(jìn)是2Ed （Ed為母線電壓的一半，400V ）;采用相位相差180度的高頻三角載波，當(dāng)對(duì)應(yīng)的輸入電壓是正半周的時(shí)候，采用 Trg1 ,當(dāng)對(duì)應(yīng)的輸入電壓是負(fù)半周的時(shí)候采用Trg2 ,每個(gè)周期產(chǎn)生8個(gè)開關(guān)狀態(tài)，

6、與傳統(tǒng)的控制方案產(chǎn)生4個(gè)開關(guān)狀態(tài)相比，8個(gè)開關(guān)狀態(tài)相當(dāng)于頻率翻倍，減小了輸入電流的紋波，對(duì)THD指標(biāo)有好處；上一張仿真的波形:n上面我們提到，三相三電平PFC可以看作是三個(gè)單相的PFC,每個(gè)單相相當(dāng)于由兩個(gè)Boost電路組成，在交流電壓的正負(fù)半周交替工作，正半周如下所示：（州01?以a相為例，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高時(shí)，則開關(guān)管 Q1導(dǎo)通（交流電壓的正半周）或者Q2導(dǎo)通（交流電壓的負(fù)半周）；驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低時(shí)，開關(guān)管 Q1和Q2都關(guān)斷。電壓正半周時(shí)，a相上橋臂二極管導(dǎo)通；電壓負(fù)半周時(shí)，a相下橋臂二極管導(dǎo)通。通過上面的分析，采用移相180度的三角載波進(jìn)行調(diào)制，在 030度的扇區(qū)內(nèi)有8種開關(guān)狀態(tài)，4種工作模式 O

7、NO,ONP,OOP,POP 。ONO工作模式a相和c相導(dǎo)通，b相截至，U和 W 電壓為0, V點(diǎn)電壓-400V ;該工作狀態(tài)只給 C2進(jìn)行充電；ONP工作模式a相導(dǎo)通，b相和c相截至；U點(diǎn)電壓為0, V點(diǎn)電壓為-400V , W 點(diǎn)電壓為+400V ;口IT-寸 Jqq V一,時(shí)OOP工作模式U和 V點(diǎn)電壓為0, W 點(diǎn)電壓為+400V ;POP工作模式U和 W 點(diǎn)電壓為+400V , V點(diǎn)電壓為0,該工作模式只給 C1進(jìn)行充電;口當(dāng)然，這只是在 030度扇區(qū)的工作狀態(tài)。其實(shí)在整個(gè)工頻周期，是有25個(gè)工作狀態(tài)的。IONO 和POP這兩種工作模式只給 C1或C2充電的狀態(tài)對(duì)后面母線電壓均壓起決

8、定性的作用。I我們知道，DSP的PWM模塊的載波方式不能改變，一般是無法使 DSP產(chǎn)生幅值相同、相移180度的載波時(shí)基.可以用正負(fù)半周不同方式實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：口在正半周的時(shí)候跟 CMPR+比較，在負(fù)半周的時(shí)候跟 CMPR-比較。正半周的時(shí)候低有效，負(fù)半周的時(shí)候高有效。這樣就可以產(chǎn)生180度的相移了，其中CMPR-是PI計(jì)算出來的值,而 CMPR+=PRD-CMPR-三、控制模式我們知道，這種控制電路一般采取雙環(huán)的控制方式，即電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)得到穩(wěn)定的輸出直流電壓，供后級(jí)電路的使用 （如 Three Level LLC、PS Interleave LLC 、PSFB等），電流

9、內(nèi)環(huán)得到接近正弦的輸入電流，滿足 THD和PF值的要求。1正處時(shí)饋航出小田冢華2工也受。噌江和通3用Li環(huán)型僚4 8崎人史宏也任果等層雷珞TMAASSWttA4MMii 屯空理由4刷£建國(guó)j, iDJtusskH電內(nèi)L；1?匹而3矍13 JVIMFT其實(shí)數(shù)字控制無非就是把模擬的方案轉(zhuǎn)換為數(shù)字的運(yùn)算，其中最經(jīng)典可以參考TI的UC3854 ,利用它的控制思想來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。PFC母線輸出電壓經(jīng)過采樣和濾波，由 DSP的ADC采樣到DSP內(nèi)部，與電壓給定信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差后經(jīng)過 Gvc 補(bǔ)償后輸出一個(gè) A信號(hào)，然后通過乘法器與交流 AC電壓相乘得到電流的給定信號(hào)，正是該乘法器的作用才能保

10、證輸入電壓電流同相位，使電源輸入端的PF值接近1 ;將采樣的電感電流波形與電流給定進(jìn)行比較得出誤差，經(jīng)過Gic(s)補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償后得到電流環(huán)的輸出值，該值直接與三角波進(jìn)行調(diào)制，得到 PWM 波形，控制電壓和電流；大致 的控制框圖可以用下圖來簡(jiǎn)化表示;其中：? Gcv(s)電壓環(huán)的補(bǔ)償函數(shù)? Gci(s)為電流環(huán)的補(bǔ)償函數(shù)? Hi(s)為電流環(huán)采樣函數(shù)? Hv(s)為電壓環(huán)采樣函數(shù)? Gigd(s)為電感電流對(duì)占空比 D的函數(shù)四、控制地 AGND 的選擇在傳統(tǒng)的單相有橋 PFC中，一般把 PFC電容的負(fù)極作為控制 AGND ,因?yàn)樵擖c(diǎn)的電壓通過整流橋跟輸入的 L、N相連。?當(dāng)輸入為正半周時(shí)，

11、AGND 為整流橋鉗位在 N線；?當(dāng)輸入為負(fù)半周時(shí)，AGND 被整流橋鉗位在 L線；所以母線電容的負(fù)極地 AGND （相當(dāng)于PE）是一個(gè)工頻的變化，由于輸入一般都是50Hz的交流電，所以相對(duì)還是比較穩(wěn)定的，可以作為控制電路的控制地。但是相比較Vienna PFC就不一樣了，母線電容的中點(diǎn)相對(duì)與工頻電壓中點(diǎn)（PE）是一個(gè)開關(guān)級(jí)的5電平高頻變動(dòng)的電平：土 2/3Vo、0、±1/3Vo （這里的 Vo代表母線電壓的一半，典型值400V ）,如果以如此大的高頻波動(dòng)去作為控制地的話，那么噪聲和共模干擾就會(huì)非常大，可能會(huì)導(dǎo)致采樣電壓和驅(qū)動(dòng)不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響到電路的可靠性。由于電容中點(diǎn)的高頻變化不能

12、作為控制地，那怎么辦？我們是否可以人為的構(gòu)建一個(gè)虛擬的地來作為控制地 AGND ?我們可以采用在三相輸入之間通過分壓電阻相連，采用Y型接法來產(chǎn)生虛擬地作為控制地。不過構(gòu)建了這個(gè)控制地后，那么其他所有的采樣、驅(qū)動(dòng)都要以差分和隔離的方式相對(duì)于 這個(gè)控制地來工作。采用這種方法，是不是完美的把電容中點(diǎn)O與控制地AGND分開了，避免了高頻劇烈變動(dòng)帶來的干擾。學(xué)習(xí)資料EM Filler五、母線均壓我們知道，三相 Vienna PFC 拓?fù)涞哪妇€電壓 800V 是由兩個(gè)電容 C1和C2串聯(lián)進(jìn)行分壓，電容中點(diǎn)的電位 O由電容的充放電決定， 兩個(gè)電容的電壓應(yīng)該保持均衡以保持真實(shí) 的三電平運(yùn)行條件。否則輸出電壓可

13、能包含不期望的諧波，甚至?xí)绊懙诫娐返耐耆?。|三相三電平 PFC正負(fù)母線的均衡度會(huì)影響PFC的性能:輸入電流THD功率開關(guān)管和二極管的應(yīng)力（本身以及后級(jí)功率電路）動(dòng)態(tài)時(shí)母線電容容易過壓電容中點(diǎn)的電位偏差與 PFC正負(fù)母線電容的充放電過程相關(guān)，通過附件開關(guān)狀態(tài)可以看出，a組和z組工作狀態(tài)沒有電流流入或流出電容中點(diǎn)，因此兩個(gè)電容的充放電是一樣的，不會(huì)產(chǎn)生偏壓。只有 b、c、d組的開關(guān)狀態(tài)才會(huì)影響到 PFC母線電容充放電的差異，產(chǎn)生偏壓。|僅供學(xué)習(xí)與參考學(xué)習(xí)資料根據(jù)前面的工作原理分析，POP工作狀態(tài)只給電容 C1進(jìn)行充電，ONO 工作狀態(tài)只給電容C2進(jìn)行充電，故可以根據(jù)這兩個(gè)工作狀態(tài)來控制中點(diǎn)電位

14、，在控制中可以調(diào)節(jié)ONO和POP兩個(gè)工作狀態(tài)的作用時(shí)間來進(jìn)行均壓。這個(gè)時(shí)候可以在整個(gè)控制環(huán)路中添加一個(gè)偏壓環(huán)，用于調(diào)節(jié)ONO和POP的作用時(shí)間,來進(jìn)行母線電壓的均壓作用。具體實(shí)施方法：分別對(duì)正母線和負(fù)母線進(jìn)行采樣，然后得出差值（直流分量），該差值經(jīng)過偏壓環(huán)的補(bǔ)償器調(diào)節(jié)之后疊加到輸入電流參考正弦波，經(jīng)過精密整流后變換為幅值有差異的雙半波作為電流環(huán)的給定，以此來改變 ONO 和POP的作用時(shí)間，改善 PFC母線均壓。如下圖所示：compa、compb 和compc 分別是每相的電流環(huán)計(jì)算出來的結(jié)果，以030度扇區(qū)為例，當(dāng)正母線相對(duì)于中點(diǎn)的電壓低于負(fù)母線時(shí)，正半波的給定變小，負(fù)半波的給定變大，POP

15、工作狀態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，給正母線電容的充電時(shí)間變長(zhǎng)；ONO 工作狀態(tài)的時(shí)間變短， 給負(fù)母線電容的充電時(shí)間變短。當(dāng)正母線相對(duì)于中點(diǎn)的電壓高于負(fù)母線時(shí)，正半波的給定變大，負(fù)半波的給定變小，POP的作用時(shí)間變長(zhǎng)，給正母線電容充電的時(shí)間變短，ONO的作用時(shí)間變長(zhǎng)，給負(fù)母線的充電時(shí)間變長(zhǎng)。圖中comp值實(shí)線代表上個(gè)周期的值，虛線代表當(dāng)周期需要的值；陰影部分代表變化的時(shí)間；以上說明的是主功率回路正常工作時(shí)候可以通過調(diào)節(jié)來控制PFC母線電容的均壓，但是當(dāng)模塊起機(jī)的時(shí)候呢？可以采用輔助電源直接從 +400V-400V之間進(jìn)行取電，由于電容有差異性，內(nèi)阻不可能完全相等，也會(huì)差生偏壓。還有一個(gè)是要采用更高等級(jí)的MOS

16、FET ,成本高，而且現(xiàn)在充電模塊的待機(jī)損耗也是一個(gè)問題，很多客戶要求模塊的待機(jī)損耗不能超過多少。當(dāng)然還有另一種輔助電源取電方式，也是現(xiàn)在廠家主流的方式。就是正負(fù)母線均掛一個(gè)輔助電源，在起機(jī)的時(shí)候通過充電電阻給母線電容充電，變壓器采用繞組競(jìng)爭(zhēng)的方式，誰(shuí)的母線電壓高，就采用誰(shuí)供電，這樣可以很好的保證模塊在起機(jī)過程中的均壓效果；在模塊正常工作起來以后，也是同樣的道理。而直接從+800V 取電沒有這種效果。僅供學(xué)習(xí)與參考六、原理仿真1.輸出電壓波形2.仿真波形輸入電流波形，參數(shù)沒有調(diào)好，將就著看吧。XXKXXXXXXX>輸三相電流波形3.橋臂中點(diǎn)的線電壓輸入線電壓峰值與PFC總母線電壓的比值定

17、義為調(diào)制系數(shù)m,m=Vlp/2Ed; 其中Vlp是線電壓的峰值。整流器可以被認(rèn)為是與市電通過PFC電感連接的電壓源，為了使輸入電流正弦，橋臂中點(diǎn)線電壓也應(yīng)該為正弦波形。而實(shí)際情況下橋臂中點(diǎn)線電壓是正弦PWM波形，諧波分量和最大步進(jìn)是兩個(gè)主要考慮的因素。 當(dāng)輸入線電壓峰值大于 Ed時(shí)，橋臂中點(diǎn)線電壓電壓波形euv,是一個(gè)5階梯的電壓波形，幅值為 0, ±400V , ±800V ,步進(jìn)是400V ; 當(dāng)輸入線電壓峰值小于Ed時(shí)，橋臂中線線電壓波形是一個(gè) 3階梯的電壓波形，幅值為 0, ±400V ,步進(jìn)為 400V ;橋臂中點(diǎn)相對(duì)于市電中點(diǎn)的電壓波形eun ,是一個(gè)

18、9階梯的電壓波形；幅值為 0, ±133V , ±266V , ±400V ,最小步進(jìn)是133V ,最大步進(jìn)是266V ;由于功率開關(guān)管和散熱器之間有寄生電容，這個(gè)階梯信號(hào)會(huì)產(chǎn)生共模噪聲;9M.3ik«1« Mi41 hi-U'H.STT ir«XIMI I d,XO電容中點(diǎn) O相對(duì)于市電中點(diǎn)的電壓波形eon ,是一個(gè)5階梯波形，幅值為0, ±133V , 士266V ,步進(jìn)為 133V ;隨著電動(dòng)汽車的火熱發(fā)展，充電樁和車載充電器的方案已經(jīng)成為市場(chǎng)的熱點(diǎn)。 此 類應(yīng)用中，其輸入電壓大都是三相交流輸入，經(jīng)過三相 PF

19、C后，直流母線電壓 會(huì)高到7, 800V,如此高的直流母線電壓給后級(jí)的 DC/DC變換器的設(shè)計(jì)帶來 極大的挑戰(zhàn)。首先是器件的選擇，800V的母線電壓，要求DC/DC的Mosfet的額定電 壓至少需要1000V ,而在這個(gè)電壓等級(jí)下的 MOS管選擇非常有限。所以，目 前大多數(shù)方案采用的三電平電路，用兩個(gè) 600V的Mosfet串聯(lián)，來解決高母線 電壓帶來的MOS管應(yīng)力問題。 其次是高壓下的開關(guān)損耗很大，使得我們必須 選擇軟開關(guān)的電路拓?fù)洹LC變換器可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS,使高壓輸入 下，高開關(guān)頻率成為可能。下圖給出了典型三電平全橋諧振變換器的電路。BWVdceoav mos 四根MOS

20、&MrV klO-SWOV MOS ；47NCDC36o(jv MO-S47N&DC33MOV 獻(xiàn) 8 47 NGOOV MO /WQG；e-OOV MO£ 47HMC3三電平全橋LLC變換器三電平變換器有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，比如每個(gè)Mosfet只需要承受一半的輸入電壓；當(dāng)然，也有缺點(diǎn)，比如每個(gè)橋臂需要 4個(gè)MOSFET以及各自的驅(qū)動(dòng)，增加 了系統(tǒng)復(fù)雜度，再比如每個(gè)橋臂需要各自的鉗位二極管，增加了系統(tǒng)成本。本文中，將介紹我們8KW LLC變換器的設(shè)計(jì)方案。使用Cree的1200V碳 化硅Mos管代替上圖中兩個(gè)串聯(lián)的 MOS ,三電平變換器簡(jiǎn)化成傳統(tǒng)兩電平全 橋變換器，如下圖

21、。同時(shí)，我們將開關(guān)頻率設(shè)定到 160KHz ,減小了磁性器件和整個(gè)變換器的體積。650V-BOOVQ1 .Sic nnosCJMQ15O1200 bQ2 H 本 TCJ 1-1-1；SiC ROS-i-CbmSiC MOSC2U01GO12ODLrCM 04 F£1CC2MEJ1«O12OD C3D1BD60D8KW碳化硅全橋LLC解決方案這里先傳一張我們的樣機(jī)圖片學(xué)習(xí)資料充電模塊生產(chǎn)廠家序號(hào)品牌功率(kW)型號(hào)前級(jí)PFC方案后級(jí)DC-DC方案規(guī)格尺寸 mm體積(cm3 )功率密度(W/cm3 )電壓電流寬深高1英飛源15REG50040VVIENNA三電平移相全橋150V

22、dc 550Vdc0 35 A226395847498.682.000215REG75030VVIENNA三電平移相全橋150Vdc 750Vdc0 25 A215395847133.72.103321REG50050VVIENNA三電平移相全橋150Vdc 500Vdc0 50 A226395847498.682.800420REG75030VVIENNA三電平移相全橋150Vdc 750Vdc0 33 A215395847133.72.8045英可瑞15EVR400-15000VIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 450Vdc3.4 37.4 A50041088180400.8

23、31615EVR500-15000VIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 500Vdc3 33 A50041085174250.861715EVR600-15000VIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)100Vdc 600Vdc2.5 37.5 A50041085174250.861815EVR600-15000BVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2.5 37.5 A50041085174250.861915EVR700-15000VIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2 22 A50041085174250.8611015EVR10

24、00-15000VIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 1000Vdc1.5 16.5 A50041085174250.8611115EVR700-15000BVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2 22 A447370426946.382.1591215EVR600-15000DVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2.5 37.5 A447370426946.382.1591315EVR500-15000BVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 500Vdc3 33 A447370426946.382.1591415EV

25、R400-15000BVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 450Vdc4 44 A447370426946.382.1591515EVR700-15000CVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2 22 A2403708575481.9871615EVR600-15000CVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2.5 37.5 A2403708575481.9871715EVR500-15000CVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 500Vdc3 33 A2403708575481.9871815EVR400-1500

26、0CVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 450Vdc4 44 A2403708575481.9871920EVR700-20000CVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc2.7 30 A2403708575482.6502020EVR500-20000CVIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 500Vdc4 44 A2403708575482.6502120EVR700-20000VIENNA兩組二電平LLC全橋串聯(lián)200Vdc 750Vdc4 44 A50041085174251.1482220EVR500-20000VIENNA兩組二電平LL

27、C全橋串聯(lián)200Vdc 500Vdc6 60 A2403708575482.65023華為15R50030G1交錯(cuò)式 PFC兩組二電平三相交錯(cuò)LLC串聯(lián)200Vdc 500Vdc0 36 A206470838036.061.8672415R75020G1交錯(cuò)式 PFC兩組二電平三相交錯(cuò)LLC串聯(lián)300Vdc 750Vdc0 24 A206470838036.061.86725VIENNA三電平 LLC半橋200Vdc 750Vdc0 22 A45046087180090.833艾默生157公,乂 ER75020T*261內(nèi)/、E尋5彘彥”VIENNA三電平移相全橋50Vdc 750Vdc0 2

28、5 A215395847133.72.10327盛弘15ser750-20VIENNA三電平 LLC全橋200Vdc 750Vdc0 20 A220425132123421.2152815SR450-30VIENNA三電平 LLC全橋200Vdc 500Vdc0 33 A220425132123421.21529受格米特15MR750-20VIENNA (兩管并)兩組二電平LLC全橋串聯(lián)250Vdc 750Vdc0.5 21 A217436888325.861.80230甬合電子10TH700Q15ND-AVIENNA兩組二電平三相交錯(cuò)LLC串聯(lián)300Vdc 750Vdc015 A220396

29、.5857414.551.3493110TH500Q20ND-AVIENNA兩組二電平三相交錯(cuò)LLC串聯(lián)200Vdc 500Vdc0 20A220396.5857414.551.3493220TH500Q40ND-AVIENNA兩組二電平三相交錯(cuò)LLC串聯(lián)200Vdc 500Vdc0 40A220396.5857414.552.697學(xué)習(xí)資料各主流充電機(jī)模塊的型號(hào)、技術(shù)方案，技術(shù)參數(shù)和尺寸等相關(guān)參數(shù)如下表所示: 充電模塊的主流拓?fù)?、前級(jí)PFC的拓?fù)浞绞剑?1)三相三線制三電平 VIENNA:僅供學(xué)習(xí)與參考la0Ub0DC-FrmTfT"SC3 ScJT"Tsai"

30、;TsjU、工-ITe:,TibyLhmbPIFTFTPWM驅(qū)動(dòng)；uVo目前市場(chǎng)上充電模塊主流的 PFC拓?fù)浞绞饺缟蠄D所示：三相三線制三電平VIENNA,英可瑞，英飛源，艾默生，麥格米特，盛弘，通合等均采用此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此拓?fù)浞绞矫肯嗫梢?等效為一個(gè)BOOST電路。由于VIENNA整流器具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其十分適合作為充電機(jī)的整流裝置的拓?fù)洹?、大規(guī)模的充電站的建設(shè)需要大量的充電機(jī)，成本的控制十分必要，VIENNA整流器減少了功率開關(guān)器件個(gè)數(shù)同時(shí)其三電平特性降低了功率開關(guān)管最大壓降，可以選用數(shù)量較少且相對(duì)廉價(jià)的低電壓等級(jí)的功率器件，大大降低了成本；2、功率密度即單位體積的功率大小也是充電機(jī)的

31、重要指標(biāo)，VIENNA整流器控制頻率高的特點(diǎn)使電感和變壓器的體積減小，很大程度上縮小了充電機(jī)的體積，提高了功率密度；3、VIENNA整流器的高功率因數(shù)和低諧波電流，使充電機(jī)不會(huì)給電網(wǎng)帶來大量的諧波污染，有利于充電站的大規(guī)模建設(shè)。因此，主流的充電模塊廠家均以VIENNA整流器作為充電機(jī)的整流裝置拓?fù)洹?、每相兩個(gè)MOS管是反串聯(lián)，不會(huì)像 PWM整流器那樣存在上下管直通的現(xiàn)象，不需 要考慮死區(qū)，驅(qū)動(dòng)電路也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：1、輸出中性點(diǎn)平衡問題：中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)會(huì)增加注入電網(wǎng)電流的諧波分量，中性點(diǎn)電壓嚴(yán)重偏離時(shí)會(huì)導(dǎo)致開關(guān)器件以及直流側(cè)電流承受過高電壓而損壞。因此必須考慮直流側(cè)中性點(diǎn)電位的平衡問題

32、；2、能量只能單向傳遞。(2)兩路交錯(cuò)并聯(lián)三相三線制三電平VIENNA:EM1杭州中恒電氣自主研發(fā)使用的充電模塊采用的是兩路交錯(cuò)并聯(lián)三相三線制三電平VIENNA的PFC拓?fù)浞绞??？刂品绞剑旱谝?Vienna變換器的A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第二 Vienna變換器的A相 驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率同幅值、占空比各自獨(dú)立、相位錯(cuò)開 180° ;第一 Vienna變換器的B相驅(qū) 動(dòng)信號(hào)與第二 Vienna變換器的B相驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率同幅值、占空比各自獨(dú)立、相位錯(cuò)開 180° ;第一 Vienna變換器的C相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第二 Vienna變換器的C相驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率同 幅值、占空比各自獨(dú)立、相位錯(cuò)開 180。

33、通過兩個(gè)變換器的并聯(lián)，使得開關(guān)管和二極管電 流應(yīng)力降低一半，可使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件；通過交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，總輸入電流波動(dòng)減小，從而減少電磁干擾，減小濾波器體積；用兩個(gè)分散的發(fā)熱器件代替一個(gè)集中的發(fā)熱器件，在總熱量沒增加的基礎(chǔ)上可方便PCB布局和熱設(shè)計(jì)。另外此拓?fù)湓谳p載時(shí)，可仍然實(shí)現(xiàn)輸入電流連續(xù)，減少了干擾。(3)單相交錯(cuò)式三相三線制三電平VIENNA:華為使用的充電模塊采用的是單相交錯(cuò)式三相三線制三電平VIENNA的PFC拓?fù)浞绞?。此拓?fù)浞绞綄⑷噍斎敕纸鉃槿齻€(gè)單相的交錯(cuò)式的PFC電路，每個(gè)之間相互交差 120°。而每一路的驅(qū)動(dòng) MOS管相互交差180。這樣可以降低輸入紋波電流和輸出電壓紋

34、波，從而減小減小BOOST升壓電感的尺寸，減小輸出濾波電容的容量。同時(shí)降低 EMI,縮減EMI磁 性元器件大小，減小線路的均方根電流等，提高整機(jī)效率。2、后級(jí)DC-DC的拓?fù)浞绞剑?1)兩組交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋LLC:(2)兩組交錯(cuò)式并聯(lián)二電平全橋LLC:目前英可瑞，麥格米特的750V的充電模塊均采用的是兩組交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋LLC500V的充電模塊采用的是兩組交錯(cuò)式并聯(lián)二電平全橋LLQ優(yōu)點(diǎn)：1、根據(jù)母線電壓，將分成上下兩個(gè)全橋的LLC控制，可以在不增加開關(guān)管應(yīng)力的情況下，使用成熟的二電平全橋 LLC控制電路；2、采用全橋LLC算法，可以實(shí)現(xiàn)整流二極管的零電流關(guān)斷，提高效率，減小 EMI;3

35、、輕載特性比較好。缺點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，諧振電感和變壓器設(shè)計(jì)困難，開關(guān)頻率不固定，難以實(shí)現(xiàn)更大容量。(3)三電平全橋移相 ZVS:英飛源、維諦技術(shù)(原艾默生)采用的這種三電平全橋移相ZVG1、采用三電平技術(shù)，可以減小開關(guān)管的電壓應(yīng)力，從而使用650V的MOS管，提高整機(jī)開關(guān)頻率，減小輸出濾波電感的尺寸；2、移相全橋技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出電壓紋波??；3、變壓器不需要開氣隙，有利于磁性元器件的功率密度的提升；4、容易做在大功率，大容量。不足之處：1、輕載時(shí)，滯后臂不容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；2、整流二極管為硬開關(guān)，反向恢復(fù)電壓尖峰高，EMI大

36、;3、占空比丟失。(4)三相交錯(cuò)式LLC:華為，通合電子采用的這種三相交錯(cuò)式LLC該轉(zhuǎn)換器包含3個(gè)普通LLC諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器,每個(gè)轉(zhuǎn)換器分別以120。相位差運(yùn)行。輸出電容的紋波電流得以顯著減小，提高功率密度。變壓器可以由3個(gè)小尺寸的磁性組合，減小整機(jī)的高度。但是其控制復(fù)雜。(5)三電平全橋LLC:盛弘電氣，茂碩電源采用三電平全橋LLC(6)兩組交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS(7)兩組交錯(cuò)式并聯(lián)二電平全橋移相ZVZCS兩組交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋移相 ZVZC序口兩組交錯(cuò)式并聯(lián)二電平全橋移相 ZVZC制種方案跟上述（1） （2）的結(jié)構(gòu)方式類似，只是采用了不同的控制算法，一種為全橋LLC, 一

37、種為全橋移相。優(yōu)缺點(diǎn)LLC拓?fù)湟葡嗤負(fù)鋬?yōu)點(diǎn)效率圖寬輸入、寬輸出調(diào)節(jié)范圍全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS軟開關(guān)低輸出紋波低白EMI電磁干擾易于實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)同步整流易十局壓電壓輸出易于大功率擴(kuò)展缺點(diǎn)輸出紋波大滯后臂難實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)損耗大（但ZCSW易實(shí)現(xiàn)）諧振電感，變壓器設(shè)計(jì)困難整流二極管工作在硬開關(guān)，損耗大，反射尖峰電 壓大難實(shí)現(xiàn)寬輸入和寬輸出調(diào)節(jié)副邊占空比丟失（ZCSS感小）充電模塊技術(shù)要求和特點(diǎn)及發(fā)展方向序號(hào)名稱技術(shù)要求及特點(diǎn)發(fā)展現(xiàn)狀及方向1單模塊功率目前充電樁上使用的主流充電 模塊功率為單機(jī)15KW,少數(shù) 為單機(jī)10KW,如通合電子。1、從2014年的7.5KW,到2015年的恒流20A 15KW模

38、塊， 到2016年的恒功率25A 15KW模塊的發(fā)展進(jìn)程；2、今年上半年英飛源， 英可瑞，通合電子，中興等廠家均 已開發(fā)出20KW充電模塊樣機(jī)，并且尺寸跟15KW比較， 均為2U,只是深度部分廠家加長(zhǎng)了。但很少正式運(yùn)用 到充電樁中長(zhǎng)期運(yùn)行檢驗(yàn)。 個(gè)人認(rèn)為20KW充電模塊只 是一個(gè)過渡產(chǎn)品。（只是對(duì)原有的15KW進(jìn)行了功率升 級(jí)）；3、目前優(yōu)優(yōu)綠源，金威源，新亞東方，麥格米特，飛宏均 已開發(fā)出了 30KW充電模塊樣機(jī)，但都處理測(cè)試階段。人個(gè)認(rèn)為30KW將會(huì)成為主流（1、30KW單機(jī)模塊平均 每瓦成本降低不少；2、30KW的尺寸有的是3U局度， 或2U高度+超過300的寬度，相對(duì)20KW模塊尺寸增

39、加 不大；3、充電樁肯定是向大功率方向發(fā)展，如 350KW 和400KW,相對(duì)單機(jī)15KW模塊，30KW模塊數(shù)量減小 一半，充電樁可靠性局）。1、國(guó)網(wǎng)發(fā)布2017版電動(dòng)汽車充電設(shè)備供應(yīng)商資質(zhì)能力核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)指出 直流充電機(jī)輸出電壓范圍為200V750V ,恒功率電壓區(qū)間至少覆蓋400V500V和600V750V。因此，各模塊廠家均為模塊升級(jí)成2寬輸出電壓市場(chǎng)主流模塊分為 200Vde500Vde 和 200Vde750Vdc。200Vde750Vde且滿足恒功率的要求；2、隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的增加，以及車主對(duì)縮減充電時(shí) 間的愿望，大功率充電即350KW, 1000V將成為必然的 發(fā)展方向。因此，

40、模塊輸出電壓會(huì)增加到1000V。3、目前英可瑞已開發(fā)出1000V, 15KW的模塊機(jī)樣，麥格 米特已開發(fā)出950V, 30KW的模塊機(jī)樣。3寬輸入電壓市場(chǎng)主流模塊的輸入電壓范圍 為 380± 20% （305456VAC）, 頻率范圍為4565Hz。而英可瑞，英H源等廠家的輸入電壓 范圍標(biāo)稱：（260530VAC）個(gè)人認(rèn)為輸入電壓范圍為380±20%（ 305456VAC）,頻率范圍為4565Hz就可以滿足充電樁的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，不必?cái)U(kuò)展更 寬的輸入電壓范圍。4高頻化市場(chǎng)上目前前級(jí) PFC的開關(guān)頻 率在4060KHz之間，后級(jí)移相 全橋固定頻率均在 100KHz以 下，而全橋LL

41、C的主諧振點(diǎn)頻 率也在100KHz以下。隨著單機(jī)模塊功率的加大，而體積又不能成比例增大的情 況下，不管是前級(jí) PFC還是后級(jí)的DC-DQ只有進(jìn)一步增 加開關(guān)頻率才能實(shí)現(xiàn)增大功率密度。5局效率市場(chǎng)上所用廠家的模塊，基本 上峰值效率在 95%到96%左 右。隨著98%超局效率技術(shù)和寬禁帶器件在通信電源市場(chǎng)的成熟，從技術(shù)角度考慮，將目前的充電樁模塊效率提升到 98%是完全可能的。但從投資回報(bào)率考慮，效率為98%充電模塊毫無市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此，只有等到碳化硅和氮化錢等器 件平民化之后，充電樁超高效率的模塊才能商業(yè)化。6散熱方式目前市場(chǎng)上所有廠家的模塊的 散熱方式均為強(qiáng)迫風(fēng)冷方式 , 前進(jìn)風(fēng)后排風(fēng)的方式（

42、風(fēng)機(jī)質(zhì) 量和壽命將會(huì)制約整機(jī)模塊的 壽命）。基于模塊故障率高的問題，一些廠家提出了水冷和封閉冷 風(fēng)道的想法。但就目前國(guó)內(nèi)充電樁行業(yè)如此低毛利的現(xiàn)狀， 水冷充電模塊這種奢侈品基本可以審判死刑。7功率密度目前以15KW為主流模塊的功率密度2.0W/cm3在將來，直流充電樁為了滿足不向場(chǎng)景充電的需求，體積 是一個(gè)比較重新的問題，對(duì)于模塊來說，盡可能做出超高 功率密度的模塊，這樣可以使體積更緊湊，節(jié)省占地面積。 預(yù)期功率密度為達(dá)到 3.0W/em3。8布局方式1、目前市場(chǎng)上所有廠家的模塊的都是后進(jìn)線后輸出方式；2、尺寸多數(shù)為2U高度，絕大數(shù)都分上下兩塊電路板， 一塊為前級(jí)PFC板，另外一塊為DC-DC

43、 板。每塊電路板的高度為 1U,上下疊加為2U的整機(jī)高度。但英可瑞，麥格米特是一塊2U的電路板；（英可瑞以開發(fā)出1U高度15KW樣機(jī)）3、控制電路板英可瑞以插板方式，其他廠家都是跟主板一體；4、均是雙控制芯片，多數(shù)為雙DSP,麥格米特為 DSP+ARM方式；5、輔助電源方式：（1）反激，取母線總電壓方式；（3）反激雙管，取母線上下兩電壓交錯(cuò) ；6、顯示方式：（1） 3個(gè)發(fā)光二極管（運(yùn)行，故障，報(bào)警）；（2） 3個(gè)發(fā)光二極管+3位數(shù)碼管；7、通信地址方式：（1）軟件ID自動(dòng)識(shí)別：（2）硬件拔碼開關(guān)：（3）硬件8421數(shù)字編碼器。學(xué)習(xí)資料四、自主研發(fā)方案凌刊刪ft反港雙骨札外方代RRRC：| -

44、H1S僅供學(xué)習(xí)與參考育文電雎由器拄制viebA詡動(dòng)&號(hào)用我|山丘果樣舟比面'1二相電壓票樣一戰(zhàn)調(diào)遞與第口2LlH£45匚CC257 I5的CHSSJf - I ,. Io-F28377D LI三的11414a I1已DWYRY幃值根CAA 的RS232 B |伯接口值接口11“ ''k：川：仁印，；E j. , ; j-.l|0；i示中部贏圻京；In PJ L-*輸匕F匕ill； 1- L I f.父詼口§§§§"lYiiiJVu00學(xué)習(xí)資料1、初步方案:序號(hào)項(xiàng)目初步方案1單機(jī)功率開發(fā)20KW機(jī)樣，輸出

45、電壓范圍為 200V750V ,恒功率電壓區(qū)間覆蓋400V500V和600V750V。電氣間隙和爬電距離按1000V電壓等級(jí)設(shè)計(jì)，以便于后期擴(kuò)容擴(kuò)壓。J2模塊尺寸初步限定：寬*深*高250*400*88mm3前級(jí)PFC拓?fù)涑Ｒ?guī)的三電平 VIENNA拓?fù)洌ㄆ骄娏魉惴?+中點(diǎn)平衡+電壓前饋）MOS管 和二極管均采用雙管并聯(lián)方式，以便于后期擴(kuò)容。4后級(jí)DC-DC拓?fù)鋬山M交錯(cuò)式串聯(lián)二電平全橋移相ZVZC淅撲。上下母線各以 10KW功率設(shè)計(jì)，兩組進(jìn)行交錯(cuò)式串聯(lián)。5布局分上卜兩塊主功率板：1、前級(jí)PFC功率主板+輔助電源電路；高度 1U;2、后極DC-DC功率主板+控制板；高度1U;3、兩板之間信號(hào)通過

46、牛角排線方式連接。6控制芯片單一雙核 DSP F28377D+2個(gè)UCC2895 （兩芯片時(shí)鐘相位差 180度）7顯木方式4位數(shù)碼管方式，通過一個(gè)按鍵切換輸出電壓和電流的顯示以及故障代碼8通信地址方式硬件設(shè)置，6位拔碼開關(guān)，063,最大支持64個(gè)模塊并聯(lián)9散熱方式米用2個(gè)四線制超高速 PWM調(diào)速直流風(fēng)扇。12V/2.5A10溫度采樣支持4路溫度采樣電路11CAN通信隔離型CAN通信接口，用于用戶數(shù)據(jù)交互，數(shù)字均流和數(shù)據(jù)傳輸。12RS232通信用于本地程序更新13內(nèi)置泄放電路模塊停機(jī)后自動(dòng)泄放電解電容能量。14輔助電源輸入電壓取自上下母線電壓，米用雙管交錯(cuò)式反激方式。15開關(guān)頻率前級(jí)PFC開關(guān)頻

47、率50KHZ,后級(jí)DC-DC開關(guān)頻率暫定70KHz2、控制板配置方案對(duì)比)(RB R值充電同電善摩出- RR17 5門-1HE*AA型曲法號(hào)4LLL.仆I EMFIO?喻71thusH i'bnsl 用線電H呆什：ji ' ij :； w* i i i pF28JHDVIITi1(N_L5_F率部鼻而信號(hào)_J 胃口占* J Li一用電壓維樣靚4速雙號(hào)I2GMrilliiMl-AJIKI 1網(wǎng)Cl望4；映搐nn阿油及電底格型I心檢” u口 TinVbo heTfiTiT僅供學(xué)習(xí)與參考方案1: DSP+ARM方案5W：1 幽 U1Ri dp ；1：白心i：f卜.牛和土而信尋和電睨乘

48、鼻me國(guó)的原應(yīng)也詵及帝胤?轉(zhuǎn)網(wǎng)卜一本部出動(dòng)信號(hào).懼做1格號(hào)2CD爐相應(yīng)輸出電壓號(hào),:吟t:QxlH：乜出山.：圖川線陽(yáng)£|士加？降混匕X. 4n、,廠：:.7|口 ?. i ：.臨口鰭口肥觸外出RXinI 口。onoiw方案2: DSP+ARM方案方案對(duì)比：如下表序號(hào)方案1 : DSP+ARM方案方案2: DSP+ARM方案1簡(jiǎn)述方案1米用單板結(jié)構(gòu)方式，核心板：雙核DSP F28377+STM32F407, DSP負(fù)責(zé) PFC和 DC-DC 的控制以及 CAN通信。STM32F407負(fù)責(zé)數(shù)據(jù) 的存儲(chǔ)與傳輸方案2米用雙板結(jié)構(gòu)方式，PFC控制板米用DSP F28026只負(fù)責(zé)PFC的相關(guān)控制。DCDC 控制板米用DSP F28035負(fù)責(zé)DC-DC勺控制， 同時(shí)負(fù)責(zé)CAN通信，風(fēng)扇控制等。2成本對(duì)比DSP F28337D 132元；STM32F407 43 元；FLASH16元；RAM 15元；以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng) 6元；3個(gè)RJ45 18元。總計(jì)：230元DSP F28026 30元；DSP F28035 37元；DA轉(zhuǎn)換器35元。總計(jì)：102元3優(yōu)點(diǎn)1、便于公司控制硬件平臺(tái)建立，擴(kuò)展其