作者：Steven Shackell
尽管头条新闻称电动汽车的采用速度放缓，但 2023 年电动汽车在美国的销量已突破 100 万辆。随着电动汽车保有量的激增，充电基础设施也在迅速发展以跟上步伐。
目前主要有三种充电器：L1、L2 和 L3：
L1 使用标准的 120VAC 电源，充电速度最慢，能力最弱。L2 使用 240VAC 电源，增加功率的速度是 L1 充电速度的六到八倍。
L1 和 L2 都为车辆提供交流电（技术上被归类为 EVSE—电动汽车供电设备，而非充电器本身），要求车辆在内部进行直流转换，以便为电池充电。
L3 充电器则直接为车辆提供直流电流，通常为 400 或 800 VDC，可让车辆在一小时内增加几百英里的续航里程。
考虑到这些大体不同的实现方式以及具体应用之间存在的更细微差别，我们需要考虑内部充电电子拓扑结构。在本文中，我们将概述几种不同的交流-直流拓扑结构，以及可用于电动汽车应用的直流-直流拓扑结构。
交流-直流电动汽车充电器拓扑选项
| 交流/直流拓扑 | 2 电平 PFC | 3 电平 NPC | 3 电平 Vienna 整流器 | 3 电平 TNPC | 3 电平 ANPC |
| 输入相位 | 单相和三相 | 单相和三相 | 三相 | 三相 | 三相 |
| 双向 | 是 | 是 | 否 | 是 | 是 |
| 功率密度 | 低 | 高 | 中 | 中 | 最高 |
| 效率 | 低 | 非常高 @ 高频率 | 高 | 高 | 最高 |
| 传导损耗 | 低 | 高 | 高 | 中 | 高 |
| 开关损耗 | 高 | 低 | 中 | 中 | 低 |
| 控制 | 轻松 | 中 | 中 | 中 | 中 |
| 峰值电压应力 | 高 | 低 | 低 | 低 | 最低 |
| 输出电流 THD | 高 | 非常低 | 非常低 | 非常低 | 非常低 |
| 成本 | 低 | 高 | 中 | 中 | 最高 |
| 输入电感器 | 大 | 小 | 小 | 小 | 小 |
| 开关数量 | 4 (1-ph), 6 (3-ph) | 4 (1-ph), 12 (3-ph) | 6 | 12 | 18 |
| 二极管数量 | 0 | 2 (1-ph), 6 (3-ph) | 6 | 0 | 0 |
单相图腾柱 PFC（功率因数校正）
单相图腾柱 PFC
单相图腾柱 PFC 拓扑设计相对简单，BOM 成本较低。具有两个主驱动开关，以及二极管或低 RDSON MOSFET 以提供整流。本质上能够双向运行（即车辆到电网、V2G 充电），但只有在使用 SiC 和 GaN 开关时，连续导通模式 (CCM) 才切实可行，而不是使用更传统的硅元件。
总体而言，这种拓扑结构虽然传导损耗较低，但由于开关损耗较高，因此效率往往较低。通过使用四个而不是两个交错功率级驱动器，以及使用碳化硅和氮化镓开关，可以提高效率。
单相中性点箝位功率因数校正 (NPC PFC)
单相 NPC PFC
单相 NPC 拓扑将交流电转换为正负直流电压输出，并在两者之间设置或箝位中性点。由于每个直流电平只处理总直流电压范围的一半（与全范围整流器的操作相反），因此这种拓扑结构可以产生非常低的失真，电源开关上的电压也较低。因此，在这种拓扑结构中可以采用成本效益高的 MOSFET 开关（而不是 SiC 或 GaN）。不过，需要四个开关及其相关驱动器，而单相图腾柱 PFC 拓扑理论上只需要两个。
通过主动开关操作，可实现双向操作。当需要极高性能时，可通过 GaN/SiC 开关进一步增强这种拓扑结构。
三相两电平功率因数校正 (PFC)
三相两电平 PFC
三相两电平 PFC 拓扑是一种使用六个开关的升压型整流电路。从 BOM 和电路的角度来看，这是一种简单的拓扑结构，能以合理的效率实现双向功率流。
虽然这是一种实现双向三相电源转换的优雅而简单的方法，但这种拓扑结构也存在一些缺点。与本文讨论的其他一些拓扑结构不同，开关必须能够阻断整个总线电压。例如，800VDC 输出需要 1200V 等级的 SiC 开关或类似功能的设备来调节。正常运行还需要一个滤波电感器，以将输入电流调节到较低的总谐波失真 (THD) 值。与其他 PFC 拓扑相比，电磁干扰 (EMI) 较高，而且元件所承受的全范围电压应力会影响长期可靠性。
Vienna 整流器
Vienna 整流器
Vienna 整流器于 1993 年获得专利，适用于大功率三相功率因数校正应用。它可以在连续导通模式 (CCM) 下工作，控制相对简单。与两电平 PFC 设置相比，这种拓扑结构可在开关频率较高时实现更高的效率，其三电平设计使用 Si MOSFET 或 IGBT 和 SiC 肖特基二极管。Vienna 整流器拓扑结构具有高效率和低总谐波失真 (THD) 的特点。
Vienna 整流器的一个缺点是，它名义上仅支持从交流电网电源到直流应用（即电动汽车充电）的单向功率转换。不过，通过用有源开关取代功率二极管，可以实现双向供电。
三相中性点箝位 (NPC) PFC
三相三电平 NPC PFC
三相 NPC 拓扑与之前讨论的单相 NPC 拓扑类似，将开关概念扩展到三相。与单相版本一样，每个驱动器只需处理一半的总线电压。这就降低了开关损耗和电压应力，并允许使用成本效益更高的 600V 元件而不是 1200V 类型。因此，三相 NPC 拓扑可根据要求采用硅、碳化硅或氮化镓技术。这种拓扑结构能够进行双向功率转换，开关损耗低、效率高，是开关频率高于 50 kHz 的理想选择。
三相 NPC 控制需要九个栅极驱动器，而单相版本只需要四个，每个栅极驱动器都需要自己的控制电路。为了实现更好的热管理，可以用有源开关取代 NPC 二极管，形成有源中性点箝位 (ANPC) 拓扑。从物料清单和电路角度来看，上述每种 NPC 拓扑都相当复杂。
三相三电平 T 型中性点箝位 (TNPC)
三相三电平 T 型 NPC 全功率变流器
这种拓扑结构的功能与前面概述的三相两电平 PFC 电路设置类似，但在每个三相交流线路到直流链路中点之间增加了一个有源双向开关。在这种情况下，每个交流-直流转换的高压侧和低压侧仍需要进行整体切换，因此需要能够进行这种调节的开关（例如，用于 800V 直流链路范围的 1200V IGBT 和二极管）。然而，直流链路中点的双向开关设置只需要调节该电压的一半，因此可以使用较低额定值的设备来实现。
总体而言，与 NPC 拓扑相比，转换损耗较低，但用于阻断整个电压范围的开关的总体开关损耗较高。与 NPC 拓扑相比，它的效率更高，布局更简单，元件数量更少。它可用于双向开关，并具有良好的总谐波失真 (THD) 性能。
直流-直流电动汽车充电器拓扑选项
除了将交流电逆变为直流电之外，还必须向车辆和/或电池提供正确的直流电压。这里也有几种选择。
电动汽车充电站电源拓扑 - AC/DC
| CC/DC 拓扑 | LLC 转换器 | 移相全桥 | 双有源电桥 (DAB) | CLLC 模式的 DAB |
| 双向 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 效率 | 高 | 低 | 中 | 最高 |
| 传导损耗 | 高 | 中 | 最低 | 中 |
| 开关损耗 | 低 | 高 | 高 | 低 |
| 控制 | 中 | 简单 | 简单 | 中 |
| 开关频率 | 固定/高 | 高 | 高 | 非常高 |
| 峰值设备应力 | 高 | 中 | 最低 | 高 |
| 变压器 KVA 额定值 | 高 | 中 | 低 | 高 |
| 输入和输出电容器 RMS 电流 | 高 | 中 | 低 | 高 |
| 并联模块 | 困难 | 轻松 | 轻松 | 困难 |
| 宽电池电压，固定母线电压 | 否 | 是（效率降低） | 是（效率降低） | 有限 |
| 成本 | 中 | 中 | 高 | 高 |
| 开关数量 | 4 | 4 | 8 | 8 |
| 二极管数量 | 4 | 4 | 0 | 0 |
移相全桥 (PSFB)
移相全桥 (PSFB)
在这种拓扑结构中，直流变压器桥式装置的初级侧有四个开关和一个电感器。输入直流电源通过控制器进行相位转换，控制器可检测初级侧和次级侧的电流电压，但只驱动初级侧的开关。次级侧使用二极管来调节输出的移相功率。
这仅用于单向功率传输。效率通常较低，传导损耗适中，开关损耗较高。这种拓扑结构成本适中，控制设置简单，在某些情况下值得考虑。
LLC 谐振转换器
LLC 谐振转换器
LLC 谐振转换器与 PSFB 拓扑相似，但在一次侧增加了一个电容器。初级侧的有源开关可调节输入功率。该系统在接近其固有谐振频率时运行效率最高。这样就可以实现 ZVS（零电压开关）接通和 ZCS（零电流开关）关断。
这种拓扑结构只允许单向功率传输。从整体电路的角度来看，控制布局与 PSFB 相同，但实际实施可能更加困难，特别是在并行和同步操作时，通常需要外部控制逻辑。EMI 性能优于 PSFB 等硬开关拓扑结构。整体效率高，开关损耗低，传导损耗高。实施成本适中，通常低于双有源电桥设置。
双有源电桥 (DAB)
双有源电桥 (DAB)
双主动桥式转换器的设计与上述 PSFB 拓扑几乎相同。初级有源开关提供移相功能；但次级使用四个有源开关阵列（如 SiC 或 GaN 器件）代替二极管来调节电源。这样就可以实现双向功率传输，并在初级到次级的功率转换操作中实现更精细的控制。
除了双向使用特性外，这种主动控制装置还能提供比 PSFB 拓扑更好的整体效率，传导损耗极低。不过，仍会出现较高的开关损耗。控制虽然仍然简单，但比 PSFB 设置更为复杂。变压器的次级和初级侧都必须使用栅极驱动器。这种拓扑结构的成本相对较高。
CLLC 模式的 DAB
CLLC 模式的 DAB
CLLC 模式的 DAB 是那些希望获得最高 DC-DC 阶段效率的用户的选择。它的性能与 LLC 相似，但在次级侧使用有源开关，从而具有双向功能。不过，它仅限于车载充电器的功率范围，因为并联这种拓扑结构非常困难。
虽然这种拓扑结构可以支持较宽的电池电压范围且效率较高，但在固定总线电压下，其工作范围非常有限。此外，变压器初级和次级侧都有电容器，可以降低变压器铁芯饱和的风险。与 DAB 类似，这种实现方式的成本也相对较高。
选择电动汽车充电拓扑结构时的注意事项
在电动汽车充电的背景下考虑交流-直流整流和直流-直流转换的拓扑结构时，首先要考虑使用三相还是单相交流电源，还要从充电时间、可靠性、发热量和空间等角度考虑拓扑结构。选定整体拓扑结构后，您就可以深入研究单个部件和电路成本。如果需要，可以考虑回到拓扑层面，甚至更高层次的设计标准。
好在有多种拓扑结构和元件可供选择，可以满足您的项目要求。如果您需要一个起点，Arrow 旗下的 eInfochips 公司提供了 30 kW参考设计，可用于帮助启动设计流程。
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