目前正在开发的电动汽车 (EV) 直流快速充电器必须满足比当今安装的充电器底座更严格的规格。这源于两个市场压力：首先，为电动汽车中嵌入的更高容量电池提供更快的充电；其次，实现双向功率流，支持新的车辆到电网（V2G）和车辆-到建筑（V2B）应用——随着风能和太阳能等波动能源产生更多能源，该技术将有助于平衡电网。
充电器制造商可以通过将直流快速充电器作为模块化构建块来实现其设计的灵活性：多个模块可以并联连接，将功率输出扩大到高达 300 kW。这意味着当多个模块堆叠在充电器外壳中时，模块的功率密度成为关键问题，热管理也是如此。
为了应对这些挑战，电动汽车充电器制造商已转向碳化硅 (SiC) 电源开关，它的开关速度比同等的硅 MOSFET 或 IGBT 更快，而且开关损耗低得多。这使得磁性元件更小，从而提高系统功率密度。SiC 技术还解决了高密度电源设计的热问题，因为它比硅器件具有更高的效率和更高的工作温度，从而可以使用更小的散热器，同时减少系统组件的热应力。
少数半导体制造商拥有向充电器制造商批量供应 SiC 器件的技术能力和制造能力。的公司包括英飞凌、安森美和意法半导体。许多电动汽车充电器设计人员将寻求这些公司提供参考设计板来评估各种 SiC 电源开关的性能并评估其对其应用的适用性。
这些参考设计在 PFC 和 DC/DC 转换器级提供了一些适合双向直流快速充电器拓扑的实现。了解这些拓扑及其优点和缺点将有助于设计人员找出适合其应用要求的拓扑。让我们首先看看电动汽车充电器的有源前端 PFC 级的拓扑选择。
直流充电器模块的有源前端 PFC 级
AC/DC 级将（通常）380 V-415 V AC 范围内的三相输入转换为约 800 V 的稳定直流母线电压。本文中讨论的所有拓扑均适用于双向系统，因此转换也会以另一种方式进行，即从直流到交流。
SiC 器件特别适合基于半桥配置的双向转换器。通常，双向系统执行重复的硬换向。在这种情况下，硅功率开关在器件体二极管处的反向恢复时间较长，将导致功耗高、效率低、热应力较高以及系统可靠性较低。因此，双向转换器需要较短甚至为零的反向恢复时间，这是SiC MOSFET的一个特性（见图 1）。
图 1. 低体二极管反向恢复时间对于双向转换器至关重要，双向转换器具有半桥配置并面临重复的硬换向。图片由 博多电力系统提供
三相双向直流充电器的有源前端 PFC 级有以下三种拓扑结构值得考虑：
两级 PFC
三级中性点钳位（NPC）/主动NPC（ANPC）
三级T型NPC
图 2. 两级 PFC 拓扑。图片由 博多电力系统提供
两级 PFC 拓扑
两电平PFC拓扑的六开关升压型整流器电路非常简单，易于控制（见图2）。它有利于双向功率流，并且可以以合理的效率实现高功率因数。与三级拓扑相比，它可以减少元件数量并简化 PCB 布局。
另一方面，它需要具有高额定电压的开关来阻断整个直流母线电压。例如，800 V 直流应用需要具有 1,200 V 阻断能力的 SiC MOSFET。
这种拓扑的另一个缺点是滤波电感器体积庞大，需要它来限度地减少输入电流的总谐波失真 (THD)。三电平拓扑不需要如此大的电感，并且可以实现更低的功率密度。
另一个需要考虑的因素是高峰值电压应力，它会影响半导体和其他无源器件的使用寿命。
，该转换器的 EMI 性能远低于下文所述的多级 PFC 拓扑。
三级 NPC/ANPC PFC 拓扑
在三电平NPC/ANPC拓扑中，每个开关只需要阻断一半的总线电压，因此可以使用额定电压较低的MOSFET，器件上的电压应力要低得多（见图3）。这意味着该拓扑可以轻松地跨多个平台进行扩展，以使用 SiC、GaN 和硅功率开关实现，以满足具有不同功率、成本和效率要求的应用的需求。
在 800 V 应用中，可以使用额定值 600 V 的 MOSFET。600 V MOSFET 不仅提供比 1,200V MOSFET 更低的开关损耗，还可以支持更快的开关频率。
在 NPC 拓扑中，输出电流纹波较低，输出电压瞬态降低 50%。这降低了对滤波和隔离的要求，并允许使用更小的滤波电感器。该设计可以实现更高的功率密度，同时调节电流波形中的 THD 所需的电感更小。这种多电平转换器拓扑的输出电压也受到非常低的干扰，从而限度地减少了器件上的 dv/dt 应力并提高了 EMI 性能。
虽然 NPC 拓扑在开关频率高于 50 kHz 时比两级 PFC 提供更低的开关损耗和更高的效率，但它确实需要更多的开关，并且每个开关都需要自己的栅极驱动电路。这意味着控制更加复杂，物料清单 (BoM) 成本更高。
图 3. 三级 NPC PFC 拓扑。图片由 博多电力系统提供
此外，这种拓扑结构同时使用有源半导体开关和二极管，因此导致整个功率级损耗分布不对称，从而导致热管理变得困难。一些设计人员更喜欢更对称的损耗分布，因此将 NPC 拓扑中的二极管替换为 ANPC 转换器中的有源开关（参见图 4）。
在 NPC 和 ANPC 拓扑中，所有开关的阻断电压降低意味着高效氮化镓 (GaN) 开关可以提高效率和功率密度，这一点非常有用。
图 4. 三级 ANPC PFC 拓扑。图片由 博多电力系统提供
三电平 T 型 NPC PFC 拓扑
在三电平 T 型 NPC PFC 转换器中，传统的两电平电压源转换器 (VSC) 拓扑通过有源双向开关扩展到直流链路中点（见图 5）。对于 800 V 直流母线电压，1,200 V IGBT/二极管通常在每相的高侧和低侧运行，因为必须阻断全电压。但在T型配置中，到直流母线中点的双向开关只需要阻断一半的电压。这意味着它可以使用较低电压的器件来实现，例如两个包含反并联二极管的 600 V IGBT。
由于阻断电压降低，中间开关产生非常低的开关损耗和可接受的传导损耗。与三电平 NPC 拓扑不同，T 型 NPC 拓扑不串联必须阻断整个直流母线电压的设备。
在 NPC 拓扑中，通常会避免直接从正 DC 链路电压到负 DC 链路电压（反之亦然）的开关转换，因为当两个串联连接的 FET 同时关闭时，它们可能会导致电压的不均匀份额瞬间被阻断。 。这种不良影响不会发生在 T 型拓扑中。因此，没有必要实施阻止此类转换或提供串联 IGBT 瞬态电压平衡的低级例程。
使用单个 1,200 V 设备阻断全部直流母线电压的另一个好处是减少传导损耗。每当输出连接到正极或负极时，电路仅承受一个器件的正向压降；在NPC拓扑中，两个设备总是串联的。这大大降低了传导损耗，使得 T 型拓扑在低频开关应用中很有价值。
总体而言，传导损耗明显低于 NPC 拓扑，但由于器件会阻断全部直流母线电压，因此开关损耗较高。因此，T 型整流器适合开关频率高达 50 kHz 的应用，而 NPC 拓扑在频率高于 50 kHz 时表现更好。
图 5. 三电平 T 型 NPC PFC 拓扑。图片由 博多电力系统提供
直流充电模块的直流/直流转换器级
DC/DC 级是电流隔离转换器，可将输入的 800 V 直流母线电压转换为稳压直流输出电压，用于为 EV 电池充电（绕过车辆的车载充电器，该充电器仅在连接到交流充电器时使用）。
双向 DC/DC 级的拓扑可以通过以下两种方式之一实现：
双有源电桥
CLLC 模式下的双有源电桥
双有源桥拓扑
双有源桥(DAB) 转换器由初级侧和次级侧均带有有源开关的全桥组成，通过高频变压器连接（见图 6）。由于其中一个电桥中固有的滞后电流，该电流对一个电桥的开关的输出电容进行放电。当次级侧开关放电时，初级侧的一些开关能够实现零电压开关导通。还可以在开关之间使用无损电容缓冲器，以减少关断损耗。
这种转换器拓扑的主要优点是：
双向能力，通过控制两个电桥之间的相位角来实现
模块化，使其能够扩展到更高的功率级别
图 6. 双有源桥 DC/DC 转换器拓扑。图片由 博多电力系统提供
在单相移调制中，DAB 拓扑结构易于控制。然而，对于扩展的双相移或三相移调制，控制方案变得复杂。这种拓扑结构可以通过单相移调制覆盖较宽的电池电压范围，但变压器中的循环电流会上升到较高水平，从而大大降低效率。
然而，利用三重??相移调制等先进调制方案，转换器理论上可以在整个工作范围内执行零电压开关。在此拓扑中，输出功率与变压器 KVA 额定值的比率较高。处理纹波电流所需的输出电容也很低。
总体而言，该转换器非常适合功率密度、成本、重量、隔离和可靠性是关键因素的应用，因为它具有一系列有吸引力的特性：
元件数量相对较少
软开关换向
低成本
高效率
但值得注意的是，DAB 转换器通常需要额外的匀场电感器来支持零电压开关：这会增加电路尺寸并降低功率密度。
CLLC 模式下的 DAB 拓扑
CLLC 电路配置执行经典 LLC 的所有功能，但具有以下优点：在次级侧使用有源开关可实现双向功率传输（见图 7）。
该转换器以零电压/零电流开关模式运行，从而实现高效率。当总线电压有 10% 的变化空间时，该转换器可以适应广泛变化的电池电压，同时保持良好的效率。然而，在总线电压固定的情况下，该拓扑的工作范围非常有限。
初级侧和次级侧均存在电容器，消除了变压器铁芯饱和的风险。
CLLC 模式下的 DAB 转换器适合 AC/DC 车载充电器。它的使用功率水平高于车载充电器的手柄功率，可达 15 kW。但扩展到更高的功率水平和并联可能很困难，因为它需要高度对称的水箱结构和多个模块的同步——这是一项艰巨的任务。
图 7. CLLC 模式下的 DAB 拓扑。图片由 博多电力系统提供
DAB 和 CLLC 模式拓扑中的 DAB 通常用于 800 V 隔离式 DC/DC 转换器。电压转换比控制转换器端子的连接，这会影响开关所需的击穿电压额定值：高压转换器可以在一个端子上串联或并联连接，而另一个端子保持并联连接。这意味着拓扑连接有四种可能的配置。
显示了 CLLC 模式下 DAB 拓扑的两个示例：图 8 显示了串联输入配置，图 9 显示了 800 V 总线电压的并联输入配置，输出电压范围为 200 V 至 1 kV。
串联输入全桥 CLLC 的优点是在较宽的输出电压范围内具有较窄的谐振频率范围，从而降低了开关损耗；这里可以使用 650 V 设备。但这需要对直流母线侧串联的直流母线电容器电压进行更复杂的控制。此外，为了实现给定的效率，需要比使用 1,200 V 器件的单个全桥具有更低导通电阻的器件。
CLLC模式的并行输入全桥DAB转换器的优点是，对于给定的效率，电路可以使用具有更高导通电阻的器件，同时控制方案更容易。需要宽谐振频率范围来支持宽输出电压范围。
图 8. 具有串联输入的 CLLC 模式下的 DAB 转换器。图片由 博多电力系统提供
图 9. 具有并行输入的 CLLC 模式下的 DAB 转换器。图片由 博多电力系统提供
