文章来源：电力电子技术
作者：丁 晓 伟 ， 李 志 君（北京华商三优新能源科技有限公司）
摘 要 ：碳 化 硅 功 率 器 件 具 有 开 关 频 率 高 、 高 耐 温 和 低 损 耗 的 特 性 优 势 ， 可 以 有 效 提 高 系 统 效 率 和 功 率 密 度 ， 因 此 在 直 流 充 电 桩 电 源 模 块 中 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。这 里 首 先 根 据 直 流 充 电 粧 行 业 标 准 ， 提 炼 完 善 其 电 源 模 块的 技 术 指 标 。其 次 ， 为 了 满足 电 动 汽车 快速 充 电 需 求 ， 研 究 了一种 基 于 全 碳 化 硅功 率 器 件 的 电 源 模块 。最 后 ，通 过 实 验 验证 全 碳 化 硅 电 源 模 块 在 效 率 和 功 率 密 度 方面 的 优 势 ， 证 明 了 碳 化硅 功 率 器 件在 直 流 充 电粧 领 域 应 用 的 可 行 性 。
关键词 ： 充 电 桩 ；碳化硅器件 ；电源模块
ｌ 引 言
随 着 我 国 汽车 电 动 化战 略 发展 方 向 的 确 立，电 动 汽 车保 有 量 也 逐 年 升 高 ， 市 场对 快 速 充 电 的需 求 也 日 益 提 髙， 应 用 于 直 流 快 速 充 电 桩 的 电 源模块 研 发迎来 重 大 战略 机 遇 期 。目 前 市场 上 主流 的 充 电 桩 电 源模 块主 要沿 用 通 信 电 源 的 技 术方案 ， 基于 硅 功 率 器 件进行 设计 ， 在 效率 和 功 率 密 度方面存 在着 较大 的 提升 空 间 。受 到 硅 器 件特 性 制约 ， 传 统 的 电 源模块具 有较低 的器 件 工 作 频 率 和较高 的 器件开关 损 耗 。较低 的 器件工 作 频率 迫使电源模块采用 较 大 较重 的 磁 芯元 件 ， 降 低功 率 密度 的 同 时 ， 也 给 电 源模块 降 耗提 效带 来 困 难 。此外 ， 过髙 的 器件开 关损 耗将带来 更大 的 结 温波 动 ，影响 功 率 器件寿 命 ， 进而 影 响 充 电 模 块 的 使 用 寿命。频繁 更 换 电 源模 块将增 大 充 电 桩 的 运 维 成 本 。碳化硅 功 率 器件 具 有 开关 频率 高 、 耐 高 温 和 低 损耗的 特 性优 势 可 以 有 效 提 高 系 统 效 率 和 功 率密 度 ， 为 解 决 上述 问 题 提供 了 良 好 的 技 术 手 段。
针对 上述 问 题 ， 在此 基 于 碳 化硅功 率 器件研发 了 应用 于直 流充 电 桩 的 电 源模 块 ，通 过理论分析和 实 验验证 ， 以 及 与 全 硅充 电 桩 电 源 模块的 性能对 比 分 析 ， 证 明 全碳 化硅 器 件 电 源 模 块在 电 动汽 车 直流 快速 充 电 领 域应用 的 可行 性 和 可靠 性 。
２ 电 源 模块 的 基 本性 能 参数
对于 直流 充 电 桩 而 言 ， 国 家 为 了 使 各 厂 家 设计 的 充 电 桩 具 有 兼容 性 ， 因 此于 ２０ １ ０ 年 制 定 了 针对 直 流 充 电 桩 的 行 业 标 准 《 Ｎ Ｂ／ Ｔ ３ ３ ０ ０ １－２０ １ ０ 电动 汽 车 非 车 载 传 导 式 充 电 机 技 术 条 件 》 ， 并 于２０ １ ３ 年 对 其 进 行 完 善 和 更 新 ， 推 出 了 新一代 的 行业 标 准 《 Ｎ Ｂ／ Ｔ ３ ３ ０ ０８－２ ０ １ ３ 电 动 汽车 非 车 载 传 导式 充 电 机技 术 条 件》 。
由 于 国 家 并 没 有 针 对 充 电 模 块提 出 相 关 的 行业标准 ， 但 充 电 模块作 为直 流充 电 桩 的 核 心 部件 ，因 此 行 业 内 均 按 照 直 流充 电 桩 的 行业标准 要 求 充电 模块 ， 要 求充 电 模 块需 满 足直 流充 电 桩 行 业标准 中 的 技术 指标 ， 充 电 模块 在 国 标范 围 内 的 基本性 能 参 数 为 ：交 流输 入 电 压 （３ ８ ０ ± １ ５ ％ ） Ｖ ， ５ ０ Ｈｚ ；直 流 输 出 电 压 ３ ００ -７ ５ ０ Ｖ ；交流 电 压 纹 波 ：峰－ 峰值 ＜ １ ％ ， 有 效 值 ＜ ０ ． ５ ％ ；稳 压 精 度 ＜ １ ％ ；当 输 出 电流 ＜３ ０ Ａ 时 ， 稳 流精 度 ＜０ ． ３ Ａ ， 当 输 出 电 流＞ ３ ０ Ａ时 ， 稳流精度＜ １ ％ ；工作 温度－２５-５ ０ 度 ；噪 声＜ ６０ ｄＢ ，效 率 ＞ ９３ ％ ；当 半 载及 以 上 时 ：输入 电 流总 谐 波畸变 率 （ＴＨＤ ） ＜ ８ ％ ， 当 满 载 时 ：THD ＜ ５ ％ ；当 半 载 及以 上时 ， 功 率 因 数 ＞ ０ ． ９８ ， 功 能 为 恒 压／ 限 流 。基 于基 本 性 能参 数 ， 这里 基于 全碳化硅 功 率 器 件 设计了一款用 于 直流 充 电 桩 的 电 源 模块 ， 并 以 此 为平台 ，开 展碳 化 硅 功 率 器件 的 应 用 研 宄 。
３ 电 源 模 块 的 拓 扑 结 构
为 将 交 流 电 压整 流为 直流 电 压 ， 并 且适 应 多种 乘 用 车 充 电 需 求 ， 全碳 化 硅 电 源模 块采 用 两级串 联 的 结 构 ， 如 图 １ 所示 。前 级 采 用 ＰＷＭ 整流器 ， 用 来 实 现功 率 因 数校 正功 能 ， 并 为 前 后 级 的 中间 直流 母 线 提供稳 定 的 直流 电压 。后 级 采 用 ＬＬＣ谐 振变 换器 ， 具 有 高频 隔离 功 能 ， 并 因 其 软 开 关特性 ， 而 具有 较低 的开 关损 耗 ， 有 利 于 发 挥 碳化硅功率 器 件高速 开 关 的 优 势 。
４ 实 验 验证
为 了 进 一步 验 证 全 碳化 硅 电 源 模 块 的 实 用性 ， 在 此基 于 全 碳 化 硅功 率 器 件 开发 了一款 电 源模 块 ， 详 细 参 数 为 ：交 流 输 入 电 压 （３ ８ ０ ± １ ５ ％ ） Ｖ ，５ ０ Ｈｚ ；直 流 输 出 电 压 ３ ００ – ７ ５ ０ Ｖ ；前 级 开关 频率４ ２ ｋ Ｈｚ ；后 级 开 关 频率 １ ２０ -４ ００ ｋ Ｈ ｚ ；额 定输 出 功 率３ ０ ｋ Ｗ ；功 率 密度 ２ ． ４ ８ ｋ Ｗ ． Ｌ－１。进一步 以 此 实 验平台 进行 实 验研 宄 。
４ ． １ 电 源 模 块 启 动 性 能 实 验
图 ２ 为 全 碳化 硅 电 源 模 块 启 动 实验 结 果 ， 输出 电 压 Uout从零上 升 到 额 定 ７ ５ ０ Ｖ ， 该 暂 态 过 程持续 时 间 约 ５ ｓ ， 具 有 适宜 的启 动 时 间 。进一步 分析可 以 发现 ， 该 启 动 过 程平稳无 振荡 ， 有 效 保证 了 直流 充 电 粧 的 安全稳 定 运 行。
４ ． ２ 电 源 模 块 满 载 稳 定 运 行 实 验
图 ３ 为 全碳化 硅 电源 模块 额 定 满载 运 行 的 波形 。Ia,Ib,Ic分别 为 输入全碳 化 硅 电 源模 块 的 三相交 流 电 流 。由 此 可 见 ， 全 碳化 硅 电 源模 块 稳定 运行时 ， 输 入的 交流 电 流 具 有 良 好 的 正 弦 度 ， 不 会 对 电网 造成 严 重 的 谐波 污 染。
４ ． ３ 电 源 模 块 效率 曲 线
实 测 效 率 曲 线 如 图 ４ 所示 。由 于 辅 助供 电 的存 在 ， 全碳化 硅电 源 模块 的 效 率
在 超 轻 载情 况下 较 低 ， 随 着 输 出 功 率 Pout 增 加 ， 效率 逐 渐提 高 到正 常 水平 。 在 接近满 载 时 ， 由 于 磁 性元 件 和 功 率器件 的 工 作状 态 逼迫到 效 率 有 轻 微 下 降 ， 这里 所提的 全 碳化 硅 电 源 模 块在 较 宽 功 率 范 围 内 均 具 有较高 的 效 率 ， 峰 值效 率 为 ９６ ． ４ ８ ％ ，可 以 满 足 大 部 分实 用 充 电 工 况 的 需 求 。
４ ． ４ 与 传 统 硅 器 件 方 案 的 对 比
目 前 常用 的 直 流 充 电 桩 电 源 模块 基 于 硅器 件进 行 设 计开 发 ， 这里 将 全 碳化硅 电 源 模块 与 ３ 款市 场主 流 的 全硅 电 源 模 块 进行 功 率 密 度 对 比 ， 如 图 ５ 所示 。 ３ 款 全硅 电源 模块 的 功 率 密 度 最 大 为 ２.２ｋＷ.L， 而 这 里所述全 碳 化 硅 电 源模 块 功 率 密 度 可达 ２ ． ４８ ｋ Ｗ ＊ Ｌ 功 率 密 度 提高 约 １２ ． ７ ％ 。 可 见 ， 由 于 采 用 的 碳化硅功 率器 件工 作 频率 较 高 ， 所提 全 碳化 硅 电源 模块解 决 方 案 在功 率密 度 上远 大 于 同 类基 于硅 功率器件 设 计 的 电 源 模块。
５ 结 论
提 出 了一种 基 于 全 碳 化 硅 功 率器 件设 计 的 电源 模 块 。 通过 提 高工 作 频率 ， 在 保证 效 率 的 基 础上 ， 实 现 了 功 率 密 度 的 提 高 。 由 此 可 见 ， 碳 化硅功率 器 件 的 使 用 ， 有利 于 功 率 变 流装 置 的 小 型 化和轻 量 化 ， 满 足市 场 对 于 电 动 汽 车 快 速 、 大 功 率 充 电的 迫 切 需 求 ， 具 有 广 阔 的应 用 前 景 。
