充电桩充电模块常见结构、原理以及市场调研

  的“心脏”，不仅提供能源电力，还可对电路来控制、转换，保证了供电电路的稳定性，模块的性能不仅直接影响充电桩整体性能，同样也关联着充电安全问题。同时，占整个充电桩整机成本的一半以上，也是充电桩的关键技术核心之一。因此，作为充电桩的设备生产厂商，面对激烈的市场之间的竞争，避免在行业洗牌阶段被无情的淘汰出局的悲剧命运，必须掌握并自主研发生产性价比高的

  目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。

  目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，通合等均采用此拓扑结构。此拓扑方式每相可以等效为一个BOOST电路。

  由于VIENNA整流器具有以下诸多优点，使得其十分适合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量的充电机，成本的控制十分必要，VIENNA整流器减少了功率开关器件个数同时其三电平特性降低了功率开关管最大压降，能选用数量较少且相对廉价的低电压等级的功率器件，大幅度的降低了成本；

  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整流器控制频率高的特点使电感与变压器的体积减小，很大程度上缩小了充电机的体积，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量的谐波污染，有利于充电站的大规模建设。因此，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管是反串联，不会像PWM整流器那样存在上下管直通的现象，不需要仔细考虑死区，驱动电路也相对容易实现。

  1、输出中性点平衡问题：中性点电压的波动会增加注入电网电流的谐波分量，中性点电压严重偏离时会导致开关器件以及直流侧电流承受过高电压而损坏。因此一定要考虑直流侧中性点电位的平衡问题；

  杭州中恒电气自主研发使用的充电模块采用的是两路交错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相驱动信号同频率同幅值、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相驱动信号同频率同幅值、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相驱动信号同频率同幅值、占空比各自独立、相位错开180°。通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；通过交错并联技术，总输入电流波动减小，由此减少电磁干扰，减小滤波器体积；用两个分散的发热器件代替一个集中的发热器件，在总热量没增加的基础上可方便PCB布局和热设计。另外此拓扑在轻载时，可仍然实现输入电流连续，减少了干扰。

  华为使用的充电模块采用的是单相交错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错式的PFC电路，每个之间相互交差120°。而每一路的驱动MOS管相互交差180°。这样做才能够降低输入纹波电流和输出电压纹波，从而减小减小BOOST升压电感的尺寸，减小输出滤波电容的容量。同时降低EMI，缩减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。欢迎注册论坛（）,加入技术交流QQ群：电力电子技术与新能源 905723370，关注微信公众号：电力电子技术与新能源（Micro_Grid）

  目前英可瑞，麦格米特的750V的充电模块均采用的是两组交错式串联二电平全桥LLC，500V的充电模块采用的是两组交错式并联二电平全桥LLC。

  1、根据母线电压，将分成上下两个全桥的LLC控制，可以在不增加开关管应力的情况下，使用成熟的二电平全桥LLC控制电路；

  2、采用全桥LLC算法，能轻松实现整流二极管的零电流关断，提高效率，减小EMI；

  通过调节频率实现输出电压的调节，难以实现输出电压的宽范围调节，谐振电感与变压器设计困难，开关频率不固定，难以实现更大容量。

  1、采用三电平技术，能减小开关管的电压应力，从而使用650V的MOS管，提高整机开关频率，减小输出滤波电感的尺寸；

  华为，通合电子采用的这种三相交错式LLC。该转换器包含3个普通LLC谐振DC-DC转换器，每个转换器分别以120°相位差运行。输出电容的纹波电流得以显着减小，提高功率密度。变压器能由3个小尺寸的磁性组合，减小整机的高度。但是其控制复杂。

  两组交错式串联二电平全桥移相ZVZCS和两组交错式并联二电平全桥移相ZVZCS两种方案跟上述（1）（2）的结构方式类似，只是采用了不同的控制算法，一种为全桥LLC，一种为全桥移相。

  目前充电桩上使用的主流充电模块功率为单机15KW，少数为单机10KW，如通合电子。

  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，并且尺寸跟15KW比较，均为2U，只是深度部分厂家加长了。但很少正式运用到充电桩中长期运行检验。个人觉得20KW充电模块只是一个过渡产品。（只是对原有的15KW进行了功率升级）；

  3、 目前优优绿源，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，但都处理测试阶段。人个认为30KW将会成为主流（1、30KW单机模块平均每瓦成本降低不少；2、30KW的尺寸有的是3U高度，或2U高度+超过300的宽度，相对20KW模块尺寸增加不大；3、充电桩肯定是向大功率方向发展，如350KW和400KW，相对单机15KW模块，30KW模块数量减小一半，充电桩可靠性高）。

  1、 国网发布2017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，恒功率电压区间至少覆盖400V～500V和600V～750V。因此，各模块厂家均为模块升级成200Vdc～750Vdc且满足恒功率的要求；

  2、 随着电动汽车续航能力的增加，以及车主对缩减充电时间的愿望，大功率充电即350KW，1000V将成为必然的发展趋势。因此，模块输出电压会增加到1000V。

  3、 目前英可瑞已开发出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），频率范围为45~65Hz。而英可瑞，英飞源等厂家的输入电压范围标称：（260~530VAC）

  个人认为输入电压范围为380±20%（305~456VAC），频率范围为45~65Hz就能够完全满足充电桩的现场应用，不必扩展更宽的输入电压范围。

  市场上目前前级PFC的开关频率在40~60KHZ之间，后级移相全桥固定频率均在100KHZ以下，而全桥LLC的主谐振点频率也在100KHZ以下。

  随着单机模块功率的加大，而体积又不能成比例增大的情况下，不管是前级PFC还是后级的DC-DC，只有进一步增加开关频率才能实现增大功率密度。

  随着98%超高效率技术和宽禁带器件在通信电源市场的成熟，从技术角度考虑，将目前的充电桩模块效率提升到98%是完全可能的。但从投资回报率考虑，效率为98%充电模块毫无市场竞争力，因此，只有等到碳化硅和氮化镓等器件平民化之后，充电桩超高效率的模块才能商业化。

  目前市场上所有厂家的模块的散热方式均为强迫风冷方式,前进风后排风的方式（风机质量和寿命将会制约整机模块的寿命）。

  基于模块故障率高的问题，一些厂家提出了水冷和封闭冷风道的想法。但就目前国内充电桩行业如此低毛利的现状，水冷充电模块这种奢侈品基本能审判死刑。

  在将来，直流充电桩为满足不同场景充电的需求，体积是一个比较重新的问题，对于模块来说，尽可能做出超高功率密度的模块，这样做才能够使体积更紧凑，节省占地面积。预期功率密度为达到3.0W/cm3。

  2、 尺寸多数为2U高度，绝大数都分上下两块电路板，一块为前级PFC板，另外一块为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）

  6、显示方式：（1）3个发光二极管（运行，故障，报警）；（2）3个发光二极管+3位数码管；

  7、通信地址方式：（1）软件ID自动识别；（2）硬件拔码开关；（3）硬件8421数字编码器。

  开发20KW机样，输出电压范围为200V～750V，恒功率电压区间覆盖400V～500V和600V～750V。电气间隙和爬电距离按1000V电压等级设计，以便于后期扩容扩压。

  常规的三电平VIENNA拓扑（平均电流算法+中点平衡+电压前馈）MOS管和二极管均采用双管并联方式，以便于后期扩容。

  两组交错式串联二电平全桥移相ZVZCS拓扑。上下母线KW功率设计，两组进行交错式串联。

  方案2采用双板结构方式，PFC控制板采用DSP F28026只负责PFC的相关控制。DCDC控制板采用DSP F28035负责DC-DC的控制，同时负责CAN通信，风扇控制等。

  1、 分开为双控制板，有利于PFC和DCDC单独控制，软件和人能分开，结构布局方便；

  虽然成本稍微贵一点，鉴于公司的长期发展和规划，此次采用方案1：DSP+ARM方案

  2、建立数据模型，进行数值仿线、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；

  1、 建立数据模型，进行数值仿线、 进行上下两部分ZVZCS的交错控制；

  3、 根据数值仿真，优化设计二极管反向恢复导致的电压尖峰问题；优化设计隔直电容，吸收电路，变压器匝比，变压器漏感，超前臂并电容，死区，输出滤波电感，滤波电容等问题；

  5、 优化设计电磁兼容EMC问题，特别是前后级共模电感和X电容，Y电容的选择。

  1、 优化软件控制算法（1）掌握单周期控制算法或（2）SVPWM控制算法，优化平均电流SPWM控制算法的不足之处；

  1、 完善和优化二电平移相全桥ZVZCS技术，特别是二极管反向尖峰的抑制；

  2、 进行二电平LLC技术的储备，主流的电源控制方式，具备很多优点，从公司电源产品线的发展，此技术必须掌握运用。

  3、 进行三电平移相全桥ZVS或三电平LLC技术的储备，便于特高压输入的产品设计。