作家：Chris New在宇宙领域内从内燃机汽车 (ICE) 转向电动汽车 (EV) 的要求是相应的充电基础枢纽取得要紧阐述。诚然低功率 (本指南陈说了 60 kW 双有源桥 (DAB) 转换器的诡计、设备和测试，该转换器可同期知足电动汽车快速充电机的窒碍和调治需求。此外，该诡计所聘请的拓扑结构使其约略并联，以兑现高达 300 kW 的输出功率。
1. 小序跟着市集从内燃机 (ICE) 汽车转向电动汽车 (EV)，宇宙对电动汽车的需求合手续增长。电板和电力电子本事的老到使电动汽车在各式性能主义方面不错与内燃机汽车相比好意思，致使优于内燃机汽车。联系词，大限制扩充电动汽车的截止要素仍然是合适的充电基础枢纽，以对标现时的内燃机汽车处分决议，即加油。电动汽车的低功率 (为了知足上述充电时期要求并进一步晋升电动汽车的合座吸收率，需要孤苦的电动汽车快速充电机 (>50 kW)。孤苦充电机可绕过车辆车载充电机，告成接续交流电网和车辆电板，从而成立高功率的直连。这种高功率输出频频通过晋升电压来兑现，以幸免使用大电流电缆。诚然快速充电机可能比车载充电机大，但仍然需要晋升效果和功率密度，以便大限制扩充。集成了碳化硅 (SiC) 电力电子器件的电动汽车快速充电机诡计不错知足所有这些需求（即高输出电压、高效果和高功率密度）。本白皮书先容了一种用于电动汽车快速充电的 60 kW 双有源桥 (DAB) 转换器构建模块，翔实参议了其拓扑结构聘请和诡计决策。该诡计的仿真和原型硬件得到了考证。值得防护的是，该转换器诡计为与一个有源前端 (AFE) 配对使用，以变成一个齐全的电动汽车快速充电机，然后不错将其并联，以提供高达 300 kW 的输出功率。2. 拓扑聘请由于电动汽车快速充电机告成接续在交流电网和车辆电板之间，为了安全可靠地初始，充电机必须能窒碍用户与交流电网，并能对充电机输出电压/电流进行调治。窒碍不错通过告成接续到交流电源的工频率变压器来兑现。联系词，关于电动汽车快速充电所需的功率水平，相应的变压器会大得不履行。碳化硅电力电子器件约略在高开关频率下责任，因此不错吸收高频率变压器。与同额定功率的低频率变压器比较，高频率变压器的上风是尺寸昭着更小。因此狼国成 人 网，在诡计中吸收了高频率变压器。奏效的诡计要求将电网交流电压整流为直流母线电压，智商接续到电板。这不错通过二极管无源整流来兑现，或者通过吸收诸如 AFE 转换器等拓扑结构的有源整流来兑现。AFE 与无源整流比较具有昭彰上风，举例可提供可调治的输出电压，并可兑现双向功率传输。本白皮书所述的诡计假定输入接续到 AFE-调治直流母线电压，但在本白皮书均分歧此进行陈说。有多种拓扑结构不错与高频率变压器配对，以提供所需的电动汽车充电机窒碍。举例串联谐振转换器 (SRC)、LLC 和 CLLC（以其谐振槽中的元件定名）、移相全桥 (PSFB) 和双有源桥 (DAB)[1]。出于多方面的原因，本诡计聘请使用 DAB 拓扑结构。率先，DAB 不错在各式责任要求下在变压器的一次侧和二次侧兑现零电压开关 (ZVS) 操作，由此减少了系统的合座损耗，从而晋升了效果并裁减了热不停要求。其次，该诡计支撑双向初始，这关于电动汽车充电机不错反向馈遗交流电网的车网互动（vehicle-to-grid）驾驭至关进攻。第三，DAB 不错同期知足快速充电机的窒碍和调治要求。与 AFE 配对时，所有这个词充电机仅包括两个级，如图 1 所示。因此不需要为了进行最终输出调治而包含三个级（三级充电机）。第四，DAB 拓扑结构容易并联提供更高的累加输出功率。比较之下，全谐振拓扑的并联初始可能比较贫乏，因为这种拓扑频频要求并联级之间的开关频率精准匹配。并联初始使 DAB 诡计约略算作模块使用，通过添加或减少并联单元来兑现不同的最大输出功率额定值。
图 1：二级电动汽车充电机架构
3. 双有源桥 (DAB) 转换器责任花样DAB 转换器在变压器的一次侧和二次侧均吸收全桥电路，如图 2 所示。请防护，该图还包含其他组件，稍后将对此进行陈说。两个全桥的责任花样交流，因此仅翔实陈说一次侧器件，二次侧器件的责任花样与此交流。所有开关位置都吸收脉宽调制 (PWM) 花样责任，占空比为 50%（不包括死区时期的影响）。全桥的对角开关位置同相初始；即 
。但两组对角之间反相；即：
图 2：CRD60DD12N-GMA 框图
变压器的一次侧和二次侧都是这种开关花样。DAB 的功率传输是通过在变压器一次侧和二次侧之间引入相移来兑现的，如图 3 所示。通过限制一次侧和二次侧之间的相移，不错调治输出功率，如下所示
其中 POUT 是 DAB 的输出功率 [W]，n 是变压器变比 [无单元]，VP 是一次侧直流电压 [V]，VS 是二次侧直流电压 [V]，是相移 [弧度]，fsw 是开关频率 [Hz]，Llk 是电路走电感 [H]。当 
=
时，达到峰值输出功率。值得防护的是，该限制决议仅在一次侧和二次侧之间引入单个相移。通过在一次侧的互补对角对之间和二次侧的互补对角对之间引入孤苦的相移（频频称为三重相移 (TPS) 责任花样），不错进一步转变 DAB。联系词，这些转变超出了本文的领域。
图 3：单照移时序图（死区时期不详）
在互补开关事件之间的死区时期内，DAB 电路漏感中存储的能量对半导体输出电容进行放电。假定电路诡计允洽，此经由会在器件导通之前将半导体输出电容放电至 0 V。由于器件在 0 V 电压下导通，因此在导通经由中不会因电压/电流重迭而产生开关损耗。该经由称为零电压开关 (ZVS)，是 DAB 拓扑的一个优点，可通过裁减系统开关损耗来晋升电路效果。当在额定负载下责任时，电路的一次侧和二次侧均可吸收 ZVS 责任花样。4. 硬件该诡计的硬件以 CAB006A12GM3T 半桥功率模块为中心，如图 4 所示。该模块吸收压接本事，通过肤浅的压入操作即可平缓将模块集成到诡计中，无需通过螺栓接续端子或焊合大型铜箔。此外，该模块吸收无底板诡计，免却了模块热堆栈中的一个原件，因此不错晋升热性能。该模块一王人吸收 SiC MOSFET，以兑现上文所述的 SiC 电力电子器件带来的电路级转变。终末，该模块使用预涂热界面材料 (TIM)，具有多项上风，包括：TIM 经过专诚聘请，与很多现成的 TIM 比较具有更高的性能；预涂意味着 TIM 恒久均匀且闲隙；而且 Wolfspeed 充分地体现了吸收该 TIM 的模块的热性能。
图 4：CAB006A12GM3T 功率模块
兑现的诡计硬件如图 5 所示。该诡计使用四个 CAB006A12GM3T 半桥功率模块在变压器的一次侧和二次侧变周到桥电路。上述模块告成装配在液冷冷板上，该板接续到变压器的两侧，也为变压器提供冷却。吸收匝数比为 1:1、磁化电感为 248 μH、走电感为 5 μH 的高频率变压器进行窒碍。该诡计仅依靠变压器的走电感来兑现 ZVS，不需要在电路中添加专用的走电感器。吸收高性能 Wolfspeed CGD1700HB2M-UNA 栅极驱动器驱动每个半桥模块，即使在总线电压升高的情况下也能兑现快速操作。栅极驱动器的每个位置均通过板载窒碍式 DC-DC 电源和 Texas Instruments UCC21710 窒碍式栅极驱动器集成电路进行窒碍。吸收 Texas Instruments TMDSCNCD28379D 通用限制器进行限制，可平缓兑现固件定制，该诡计包括集成限制器局域网 (CAN) 接口，可与限制器进行矜重可靠的及时通讯，以兑现反映和限制更新。该诡计还包括用于监控输入/输出电压的电压反映测量和用于监控变压器偏置电流的变压器电流测量。
图 5：CRD60DD12N-GMA 硬件
5. 实验考证该系统在多种责任要求下进行了实验考证，以演示系统操作。在 100 kHz 的标的开关频率下评估了各式负载要求下的性能。实验考证的齐全参数如表 1 所示。该系统使用单相移开环初始。实验测量值用于考证所兑现的 DAB 电路的各式性能特征。率先，在本色初始功率下考证相移限制。使用 Wolfspeed 图形用户界面 (GUI) 手动限制相移，如图 6(a) 所示。图 6(b) 和图 6(c) 区分深远了一个开关位置的一次侧和二次侧栅源电压 (VGS) 和漏源电压 (VDS) 的测量值。正如预期的那样，在 VGS 和 VDS 测量中，在一次侧和二次侧开关位置之间测量到了可建立的相移。
图 6：(a) DAB 图形用户界面，(b) VGS 测量中的相移考证，(c) VDS 测量中的相移考证
其次，使用电阻器组算作系统负载在高功率下评估输出调治和变压器初始。图 7 深远了在 ϕ = 11.6° 和 POUT = 40 kW 要求下初始的系统的时域测量示例。如图 6 所示，VGS 和 VDS 相移在电路测量中也很昭着。此外，测量扫尾标明电路平日地将输出电压调治到褂讪的 800 V（标的输出电压）。终末，变压器电流测量扫尾安妥双有源电桥电路的预期梯形特征，标明电路责任平日。
图 7：
= 11.6° 且 POUT = 40 kW 时的时域测量示例
第三，搜检系统是否奏效兑现 ZVS 操作。图 8 深远电路在 = 18.9° 且 POUT = 60 kW（额定功率）下责任时一个开关位置的一次侧和二次侧 VGS 和 VDS。在栅极信号呐喊器件导通之前，两侧的漏源电压达到 0 V，证据系统在 ZVS 下奏效初始。
图 8：考证零电压开关导通
第四，通过改变输出负载来评估不同输出功率水平下的系统效果。实测效果如图 9 所示。由于该系统使用 SiC 器件初始，因此该电路约略在较宽的输出功率水平领域内保合手高效果（当 POUT ≥ 20 kW 时，效果 > 98.7%），而且电路的峰值效果达到 99.2%。在 20 kW 以下，系统不成再以 ZVS 花样初始，因此效果裁减，这也安妥预期。
图 9：实测效果
6. 仿真Wolfspeed 提供 Wolfspeed 产物组合中所有功率模块的 Plexim PLECS® 模子，包括本 DAB 诡计中的 CAB006A12GM3T。这些模子可在此处获得。基于这些可公开获得的模子，设备了齐全的 PLECS 仿真（如图 10 所示）来拿获本 DAB 诡计的行径。为了搜检模子的有用性，率先在与上文所述的实验扫尾交流的操作要求下进行仿真，仿真扫尾与实验扫尾高度吻合。举例，图 11 深远了 60 kW 初始时间的仿真和实验测量一次侧和二次侧变压器电流。仿真准确地拿获了基本电路行径和实验扫尾中不雅察到的测量幅度。
图 10：CRD60DD12N-GMA 仿真
图 11：仿真考证
如经解说不错模拟一般电路操作，该仿真就不错用于估量各式限制计策的性能，并了解所包含的电路参数的敏锐性。举例，图 12 深远了改变走电感对变压器一次侧电流的影响。仿真标明，加多走电感会加多系统中的变压器一次侧峰值电流。裁减走电感可裁减峰值电流。仿真可用于进一步优化组件和限制器计策。
图 12：变压器走电感仿真聪慧度分析
7. 论断本白皮书先容了一款 60 kW 双有源桥式转换器狼国成 人 网，其可算作电动汽车快速充电机的构建模块。该诡计以 Wolfspeed CAB006A12GM3T 半桥功率模块为中心。全 SiC 功率模块吸收高性能预涂热界面材料、可晋升热性能的无基板诡计以及可平缓集成的压接引脚。本文中陈说的模块化 DAB 与有源前端配对使用时，不错平缓地兑现多构建模块并联，以将累加输出功率扩张至高达 300 kW。本白皮书包括诡计操作基础常识、硬件兑现陈说、实验考证和仿真聪慧度分析。参考文件[1] B. W. Nelson, "Wolfspeed WolfPACK™ Power Module Platform: Accelerating Fast-Charger Development," Wolfspeed, 1 March 2021. [Online]. Available: https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/wolfspeed-wolfpack-power-module-platform-accelerating-fast-charger-development/ . [Accessed 7 May 2024].
