大功率充电桩，系统设计及芯片选型的考虑(1)

开垦者

前面介绍了6.6KW的模拟PFC+移相全桥，7KW的交错图腾柱PFC+全桥LLC，15KW的交错图腾柱PFC+全桥LLC，也在这篇文章 为什么是高压，为什么800V? 中介绍了提升电压等级及功率的考虑；

目前，150KW，360KW，500KW的更大功率的充电桩也越来越多；

小二研究了下大功率充电桩的系统设计，打算分3篇文章做个分享，欢迎大家交流；

第一篇：介绍系统考虑及拓扑；

第二篇：介绍SiC的优势及SiC在充电桩的应用；

第三篇：分析实际充电桩的电气图和电路图

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大功率系统中国标准及系统组成

国家大功率充电标准“Chaoji”的发展旅程如下



面向未来大功率充电需求，“Chaoji”技术标准主要设计参数如下：

最大电压：目前1000V （可扩展到1500V）；

最大电流：带冷却系统 500A（可扩展到600A）；不带冷却系统 150-200A；

最大功率：900KW

“Chaoji”技术标准设计目标是未来可实现电动汽车充电5分钟行驶400公里。

首先，说明一下，类似150KW的充电桩，一般不是一个单体的充电桩模块功率是360KW，它一般是9个40KW的充电桩模块，经过并联组成，示意图如下



如下2/3/4章节，整理自Onsemi官网 （国外大厂在知识&产品联合布道方面，确实做的太好了）

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大功率充电系统架构考虑

如下充电桩框图，针对不同功率的充电桩，在设计时候需要考虑的维度比较多，包括：

- 功率拓扑，包括PFC和DCDC的

- 调制模式 (控制)

- 开关频率及损耗 （十KHz~百KHz）

- 热管理

- 单相还是双向

图片来自罗姆官网

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前级三相PFC的主流拓扑

提到PFC拓扑，详细大家肯定听过鼎鼎大名的维也纳整流 (Vienna)，因此具体介绍前，有必要先对维也纳拓扑做个介绍：

维也纳整流是Johnnn W.Kolar在1993年发明的一种脉宽调制整流器，目前，Vienna已经作为三相AC-DC变换器的通用代名词，有时候DC-AC或者逆变器也会被称作Vienna；

目前三相维也纳的常用拓扑有如下几种：

三相Boost PFC维也纳架构：

开关管承受母线电压一半，一般600V/650V的耐压足够，因为导通回路有两个二极管串联，功耗会略高；二极管也是600V耐压；



T-NPC(T-Neutral PointClamp) Boost PFC维也纳架构：

开关管背靠背连接，分别承受母线电压一半，一般600V/650V的耐压足够，因为导通回路少了一个二极管，功耗会更好；二极管的耐压是1200V



NPC(Neutral Point Clamp) Boost PFC维也纳架构：

开关管背靠背连接，分别承受母线电压一半，一般600V/650V的耐压足够，二极管用开关管替换，耐压也是600V，因此开通回路里面是两个开关管串联，因此功耗也会略高；



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后级隔离DC-DC的主流拓扑

DC-DC拓扑，目前主流的有全桥LLC振荡器，全桥移相双有源整流桥零电压开关，全桥移相零电压开关三种拓扑：

全桥LLC谐振：



源级侧工作在ZVS，次级工作在ZCS，整个拓扑效率会很高；

全桥移相双有源整流桥变换器：



FB ZAB ZVT拓扑可以支持宽压输出，EMI特性也更好，漏电感在初级侧，减小了次级侧的电压耐压范围；这个拓扑可以实现双向变换；

全桥移相零电压变换器：



和FB ZAB ZVS拓扑不同的是，漏电感在副边，这会给次级的整流管带来非常大的电压应力要求；

可以看到，不同的拓扑，能量流动方向，开关管耐压，二极管耐压，控制策略及对应的EMI影响，都不一样；

第三代半导体技术(碳化硅/SiC)，解决了高压及快速开关的问题，使得其在OBC和Offline Board Charger下大量应用，下章再介绍；

右下角伸出你善良的拇指 ，点个再看，小二努力写！

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