充电模块电路分析报告

充电模块电路剖析报告充电模块电路剖析报告PAGEPAGE19充电模块电路剖析报告PAGE适用标准文档充电桩充电模块常有构造、原理以及市场调研跟着电动汽车的迅速展开，充电桩作为电动汽车家产的根基设备建设愈来愈遇到中央和地方政府的重视，对充电桩电源模块的要求也愈来愈高，充电模块属于电源产品中的一大类，好似充电桩的“心脏〞，不单供应能源电力，还可对电路进行控制、变换，保证了供电电路的稳固性，模块的性能不单直接影响充电桩整体性能，相同也关系着充电安全问题。同时，充电模块占整个充电桩整机本钱的一半以上，也是充电桩的重点技术核心之一。所以，作为充电桩的设备生产厂家，面对强烈的市场竞争，防备内行业洗牌阶段被无情的裁减出局的惨剧命运，一定掌握并自主研发生产性价比高的充电模块。一、充电模块生产厂家各主流充电机模块的型号、技术方案，技术参数和尺寸等有关参数以下表所示：序号品牌功率型号前级PFC方案后级DC-DC方案规格尺寸mm体积功率密度(kW)电压电流宽深高〔cm3〕〔W/cm3〕115REG50040VVIENNA三电平移相全桥150Vdc～550Vdc0～35A226395842英飞源15REG75030VVIENNA三电平移相全桥150Vdc～750Vdc0～25A21539584321REG50050VVIENNA三电平移相全桥150Vdc～500Vdc0～50A22639584420REG75030VVIENNA三电平移相全桥150Vdc～750Vdc0～33A21539584515EVR400-15000VIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～450Vdc～A5004108818040615EVR500-15000VIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～500Vdc3～33A5004108517425715EVR600-15000VIENNA两组二电平LLC全桥串连100Vdc～600Vdc～A5004108517425815EVR600-15000BVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc～A5004108517425915EVR700-15000VIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc2～22A50041085174251015EVR1000-15000VIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～1000Vdc～A50041085174251115EVR700-15000BVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc2～22A447370421215EVR600-15000DVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc～A4473704213英可瑞15EVR500-15000BVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～500Vdc3～33A447370421415EVR400-15000BVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～450Vdc4～44A447370421515EVR700-15000CVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc2～22A2403708575481615EVR600-15000CVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc～A2403708575481715EVR500-15000CVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～500Vdc3～33A2403708575481815EVR400-15000CVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～450Vdc4～44A2403708575481920EVR700-20000CVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc～30A2403708575482020EVR500-20000CVIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～500Vdc4～44A2403708575482120EVR700-20000VIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～750Vdc4～44A50041085174252220EVR500-20000VIENNA两组二电平LLC全桥串连200Vdc～500Vdc6～60A24037085754823华为15R50030G1交织式PFC两组二电平三订交织LLC串连200Vdc～500Vdc0～36A206470832415R75020G1交织式PFC两组二电平三订交织LLC串连300Vdc～750Vdc0～24A2064708325艾默生15ER75020TVIENNA三电平LLC半桥200Vdc～750Vdc0～22A45046087180092615ER75020T2VIENNA三电平移相全桥50Vdc～750Vdc0～25A2153958427盛弘15ser750-20VIENNA三电平LLC全桥200Vdc～750Vdc0～20A220425132123422815SR450-30VIENNA三电平LLC全桥200Vdc～500Vdc0～33A2204251321234229麦格米特15MR750-20VIENNA〔两管并〕两组二电平LLC全桥串连250Vdc～750Vdc～21A217436883010TH700Q15ND-AVIENNA两组二电平三订交织LLC串连300Vdc～750Vdc0～15A2208531通合电子10TH500Q20ND-AVIENNA两组二电平三订交织LLC串连200Vdc～500Vdc0～20A220853220TH500Q40ND-AVIENNA两组二电平三订交织LLC串连200Vdc～500Vdc0～40A22085当前市场上出货量前三名为深圳的英可瑞，华为和英飞源。市场上还有深圳的维谛技术〔艾默生〕，盛弘，麦格米特，核达中远通，新亚东方，金威源，优优绿源，中兴、凌康技术，健网科技，菊水皇家，泰坦、奥特迅，英耐杰，科士达，台湾的飞宏，华盛新能，石家庄的通合电子，杭州的中恒电气，北京的中思新科等厂家在对外销售或自家充电桩使用。二、充电模块的主流拓扑1、前级PFC的拓扑方式：〔1〕三相三线制三电平VIENNA：文案大全适用标准文档’文案大全适用标准文档当前市场上充电模块主流的PFC拓扑方式如上图所示：三相三线制三电平VIENNA，英可瑞，英飞源，艾默生，麦格米特，盛弘，通合等均采纳此拓扑构造。此拓扑方式每相能够等效为一个BOOST电路。因为VIENNA整流器拥有以下诸多长处，使得其十分合适作为充电机的整流装置的拓扑。1、大规模的充电站的建设需要大批的充电机，本钱的控制十分必需，VIENNA整流器减少了功率开关器件个数同时其三电平特征降低了功率开关管最大压降，能够采纳数目较少且相对低价的低电压等级的功率器件，大大降低了本钱；2、功率密度即单位体积的功率大小也是充电机的重要指标，VIENNA整流器控制频次高的特色使电感和变压器的体积减小，很大程度上减小了充电机的体积，提高了功率密度；3、VIENNA整流器的高功率因数和低谐波电流，使充电机不会给电网带来大批的谐波污染，有益于充电站的大规模建设。所以，主流的充电模块厂家均以VIENNA整流器作为充电机的整流装置拓扑。4、每相两个MOS管是反串连，不会像PWM整流器那样存在上下管直通的现象，不需要文案大全适用标准文档考虑死区，驱动电路也相对简单实现。弊端：1、输出中性点均衡问题：中性点电压的颠簸会增添注入电网电流的谐波重量，中性点电压严重偏离时会致使开关器件以及直流侧电流承受过高电压而破坏。所以一定考虑直流侧中性点电位的均衡问题；2、能量只好单向传达。〔2〕两路交织并联三相三线制三电平VIENNA：杭州中恒电气自主研发使用的充电模块采纳的是两路交织并联三相三线制三电平VIENNA的PFC拓扑方式。控制方式：第一Vienna变换器的A相驱动信号与第二Vienna变换器的A相驱动信号同频次同幅值、占空比各自独立、相位错开180°；第一Vienna变换器的B相驱动信号与第二Vienna变换器的B相驱动信号同频次同幅值、占空比各自独立、相位错开180°；第一Vienna变换器的C相驱动信号与第二Vienna变换器的C相驱动信号同频次同幅值、占空比各自独立、相位错开180°。经过两个变换器的并联，使得开关管和二极管电流应力降低一半，可使用传统半导体器件；经过交织并联技术，总输入电流颠簸减小，进而减少电磁扰乱，减小滤波器体积；用两个分别的发热器件取代一个集中的发热器件，在总热量没增添的根基上可方便PCB布局和热设计。此外此拓扑在轻载时，可仍旧实现输入电流连续，减少了扰乱。〔3〕单订交织式三相三线制三电平VIENNA：文案大全适用标准文档华为使用的充电模块采纳的是单订交织式三相三线制三电平VIENNA的PFC拓扑方式。此拓扑方式将三相输入分解为三个单相的交织式的PFC电路，每个之间互订交差120°。而每一路的驱动MOS管互订交差180°。这样能够降低输入纹波电流和输出电压纹波，进而减小减小BOOST升压电感的尺寸，减小输出滤波电容的容量。同时降低EMI，减少EMI磁性元器件大小，减小线路的均方根电流等，提高整机效率。2、后级DC-DC的拓扑方式：〔1〕两组交织式串连二电平全桥LLC：文案大全适用标准文档〔2〕两组交织式并联二电平全桥LLC：文案大全适用标准文档当前英可瑞，麦格米特的750V的充电模块均采纳的是两组交织式串连二电平全桥LLC，500V的充电模块采纳的是两组交织式并联二电平全桥LLC。长处：1、依据母线电压，将分红上下两个全桥的LLC控制，能够在不增添开关管应力的状况下，使用成熟的二电平全桥LLC控制电路；2、采纳全桥LLC算法，能够实现整流二极管的零电流关断，提高效率，减小EMI；3、轻载特征比较好。弊端：经过调理频次实现输出电压的调理，难以实现输出电压的宽范围调理，谐振电感和变压器设计困难，开关频次不固定，难以实现更大容量。〔3〕三电平全桥移相ZVS：文案大全适用标准文档英飞源、维谛技术〔原艾默生〕采纳的这类三电平全桥移相ZVS。1、采纳三电平技术，能够减小开关管的电压应力，进而使用650V的MOS管，提高整机开关频次，减小输出滤波电感的尺寸；2、移相全桥技术能够实现输出电压的宽范围调理，同时输出电压纹波小；3、变压器不需要开气隙，有益于磁性元器件的功率密度的提高；4、简单做在大功率，大容量。缺少之处：1、轻载时，滞后臂不简单实现软开关；2、整流二极管为硬开关，反向恢复电压尖峰高，EMI大；3、占空比丧失。〔4〕三订交织式LLC:文案大全适用标准文档华为，通合电子采纳的这类三订交织式LLC。该变换器包括3个一般LLC谐振DC-DC变换器，每个变换器分别以120°相位差运转。输出电容的纹波电流得以显着减小，提高功率密度。变压器能够由3个小尺寸的磁性组合，减小整机的高度。可是其控制复杂。〔5〕三电平全桥LLC:文案大全适用标准文档盛弘电气，茂硕电源采纳三电平全桥LLC。〔6〕两组交织式串连二电平全桥移相ZVZCS：〔7〕两组交织式并联二电平全桥移相ZVZCS：文案大全适用标准文档两组交织式串连二电平全桥移相ZVZCS和两组交织式并联二电平全桥移相ZVZCS两种方案跟上述〔1〕〔2〕的构造方式近似，不过采纳了不一样的控制算法，一种为全桥LLC，一种为全桥移相。优弊端LLC拓扑移相拓扑效率高宽输入、宽输出调理范围长处全负载范围内实现ZVS软开关低输出纹波低的EMI电磁扰乱易于实现次级侧同步整流易于高压电压输出易于大功率扩展输出纹波大滞后臂难实现ZVS，开关消耗大〔但ZCS简单实现〕弊端谐振电感，变压器设计困难整流二极管工作在硬开关，消耗大，反射尖峰电压大难实现宽输入和宽输出调理副边占空比丧失〔ZCS漏感小〕三、充电模块技术要乞降特色及展开方向序号名称技术要求及特色展开现状及方向1、从2021年的，到2021年的恒流20A15KW模块，到2021年的恒功率25A15KW模块的展开进度；2、今年上半年英飞源，英可瑞，通合电子，中兴等厂家均已开发出20KW充电模块样机，而且尺寸跟15KW比较，均为2U，不过深度局部厂家加长了。但极少正式运用到充电桩中长久运转查验。个人以为20KW充电模块只当前充电桩上使用的主流充电是一个过渡产品。〔不过对原有的15KW进行了功率升1单模块功率模块功率为单机15KW，少量为级〕；单机10KW，如通合电子。3、当前优优绿源，金威源，新亚东方，麦格米特，飞宏均已开发出了30KW充电模块样机，但都办理测试阶段。人个以为30KW将会成为主流〔1、30KW单机模块均匀每瓦本钱降低许多；2、30KW的尺寸有的是3U高度，或2U高度+超出300的宽度，相对20KW模块尺寸增添不大；3、充电桩一定是向大功率方向展开，如350KW和400KW，相对单机15KW模块，30KW模块数目减小一文案大全适用标准文档半，充电桩靠谱性高〕。1、国网公布2021版?电动汽车充电设备供应商资质能力核实标准?指出直流充电机输出电压范围为200V～750V，恒功率电压区间起码覆盖400V～500V和600V～750V。所以，各模块厂家均为模块升级成200Vdc～2宽输出电压市场主流模块分为200Vdc～750Vdc且知足恒功率的要求；500Vdc和200Vdc～750Vdc。2、跟着电动汽车续航里程的增添，以及车主对减少充电时间的梦想，大功率充电即350KW，1000V将成为必定的展开方向。所以，模块输出电压会增添到1000V。3、当前英可瑞已开发出1000V，15KW的模块机样，麦格米特已开发出950V，30KW的模块机样。市场主流模块的输入电压范围为380±20%〔305~456VAC〕，个人以为输入电压范围为380±20%〔305~456VAC〕，频次范3宽输入电压频次范围为45~65Hz。而英可围为45~65Hz就能够知足充电桩的现场应用，不用扩展更瑞，英飞源等厂家的输入电压宽的输入电压范围。范围标称：〔260~530VAC〕市场上当前前级PFC的开关频率在40~60KHZ之间，后级移相跟着单机模块功率的加大，而体积又不可以成比率增大的情4高频化全桥固定频次均在100KHZ以况下，不论是前级PFC仍是后级的DC-DC，只有进一步增添下，而全桥LLC的主谐振点频开关频次才能实现增大功率密度。率也在100KHZ以下。跟着98%超高效率技术和宽禁带器件在通讯电源市场的成市场上全部厂家的模块，根本熟，从技术角度考虑，将当前的充电桩模块效率提高到98%5高效率是完整可能的。但从投资回报率考虑，效率为98%充电模块上峰值效率在95%到96%左右。毫无市场竞争力，所以，只有等到碳化硅和氮化镓等器件老百姓化以后，充电桩超高效率的模块才能商业化。当前市场上全部厂家的模块的散热方式均为逼迫风冷方式,鉴于模块故障率高的问题，一些厂家提出了水冷和关闭冷6散热方式行进风后排风的方式〔风机质风道的想法。但就当前国内充电桩行业这样低毛利的现状，量和寿命将会限制整机模块的水冷充电模块这类豪侈品根本能够审讯极刑。寿命〕。在未来，直流充电桩为了知足不一样场景充电的需求，体积7功率密度当前以15KW为主流模块的功是一个比较从头的问题，关于模块来说，尽可能做出超高率密度功率密度的模块，这样能够使体积更紧凑，节俭占地面积。预期功率密度为抵达。1、当前市场上全部厂家的模块的都是后进线后输出方式；2、尺寸多半为2U高度，绝大数都分上下两块电路板，一块为前级PFC板，此外一块为DC-DC板。每块电路板的高度为1U，上下叠加为2U的整机高度。但英可瑞，麦格米特是一块2U的电路板；〔英可瑞以开发出1U高度15KW样机〕8布局方式3、控制电路板英可瑞以插板方式，其余厂家都是跟主板一体；4、均是双控制芯片，多半为双DSP，麦格米特为DSP+ARM方式；5、协助电源方式：〔1〕反激，取母线总电压方式；〔3〕反激双管，取母线上下两电压交织;6、显示方式：〔1〕3个发光二极管〔运转，故障，报警〕；〔2〕3个发光二极管+3位数码管；7、通讯地点方式：〔1〕软件ID自动辨别；〔2〕硬件拔码开关；〔3〕硬件8421数字编码器。文案大全适用标准文档文案大全适用标准文档四、自主研发方案文案大全适用标准文档1、初步方案：序号工程初步方案开发20KW机样，输出电压范围为200V～750V，恒功率电压区间覆盖400V～1单机功率500V和600V～750V。电气空隙和爬电距离按1000V电压等级设计，以便于后期扩容扩压。2模块尺寸初步限制：宽*深*高——250*400*88mm3前级PFC拓扑惯例的三电平VIENNA拓扑〔均匀电流算法+中点均衡+电压前馈〕MOS管和二极管均采纳双管并联方式，以便于后期扩容。4后级DC-DC拓扑两组交织式串连二电平全桥移相ZVZCS拓扑。上下母线各以10KW功率设计，两组进行交织式串连。分上下两块主功率板：5布局1、前级PFC功率主板+协助电源电路；高度1U；2、后极DC-DC功率主板+控制板；高度1U；3、两板之间信号经过牛角排线方式连结。6控制芯片单调双核DSPF28377D+2个UCC2895〔两芯片刻钟相位差180度〕7显示方式4位数码管方式，经过一个按键切换输出电压和电流的显示以及故障代码8通讯地点方式硬件设置，6位拔码开关，0～63，最大支持64个模块并联9散热方式采纳2个四线制超高速PWM调速直流电扇。10温度采样支持4路温度采样电路11CAN通讯隔绝型CAN通讯接口，用于用户数据交互，数字均流和数据传输。RS232通讯用于当地程序更新内置泄放电路模块停机后自动泄放电解电容能量。14协助电源输入电压取自上下母线电压，采纳双管交织式反激方式。15开关频次前级PFC开关频次50KHZ，后级DC-DC开关频次暂定70KHZ2、控制板配置方案对比方案1：DSP+ARM方案文案大全适用标准文档方案2：DSP+ARM方案方案对比：以下表序号种类方案1：DSP+ARM方案方案2：DSP+ARM方案方案1采纳单板构造方式，核心板：双核DSP方案2采纳双板构造方式，PFC控制板采纳1简述F28377+STM32F407，DSP负责PFC和DC-DCDSPF28026只负责PFC的有关控制。DCDC的控制以及CAN通讯。STM32F407负责数据控制板采纳DSPF28035负责DC-DC的控制，的储存与传输同时负责CAN通讯，电扇控制等。DSPF28337D132元；STM32F40743元；FLASHDSPF2802630元；DSPF2803537元；DA2本钱对比16元；RAM15元；以太网驱动6元；3个变换器35元。总计：102元RJ4518元。总计：230元1、便于企业控制硬件平台成立，扩展其余产1、分开为双控制板，有益于PFC和DCDC独自控制，软件和人员能够分开，构造3长处品。布局方便；2、具备数据储存和传输功能；2、有关于方案1，本钱起码降低128元。1、本钱高；1、只好独自使用此充电模块电源，不便于4弊端2、单板不便于布局，两种不一样种类芯片不便扩展；于软件人员编程。2、无数据储存和传输功能。5结论固然本钱略微贵一点，鉴于企业的长久展开和规划，此次采纳方案1：DSP+ARM方案文案大全适用标准文档3、充电模块的主要任务序号分类功能名称描绘前级PFC采纳VIENNA拓扑方式1、选择控制方式：均匀电流控制SPWM+中点不均衡控制+电压前馈控制；1VIENNA2、成立数据模型，进行数值仿真；3、搭建硬件电路平台，PFC电感的设计，功率开关的计算与选型，驱动电路的设计，采样电路的设计等；4、鉴于DSP进行软件编程，PI参数调整及整机调试。整机控制系统采纳双核DSPF28377+STM32F407方案2从无数据储存1、硬件电路板平台搭建；与传输2、数据储存和传输软件代码编写和调试；到有3、HMI界面的编写和调试。数字均流充电模块需要多模块并机运转，所以需要各模块的均流功能31、确定数字均流控制方案，成立数学仿真模型；技术2、软件代码编写与整机调试。电源开发一定具备有关的测试设备4测试平台1、补全电源开发所一定的开发和测试工具；2、板级测试和整机测试工装的成立和使用；3、老化实验平台的成立和使用。后级DC-DC采纳ZVZCS拓扑1、成立数据模型，进行数值仿真；2、进行上下两局部ZVZCS的交织控