充电桩充电模块常见架构、原理及行业发展趋势

电动汽车充电基础设施作为国家"新基建"的重要一环，越来越受到中央和地方政府的重视。直流快充桩具有充电速度快、利用率高的特点，新能源汽车车主的认可度高，也是各大充电运营商优先选择建设的类型。充电模块是快充桩的核心部件之一，占整个的充电桩成本的40%～60%，也是充电桩的关键技术核心之一。充电模块好比充电桩的"心脏"，不仅提供能源电力，还可对电路进行控制、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。

因此，各大充电设备生产厂家，面对激烈的市场竞争，为避免在行业洗牌阶段被无情的淘汰出局的悲剧命运，都在研发和升级充电模块，提高充电模块的效率、可靠性及稳定性。

(一) 充电模块生产厂家

目前从出货量来看，华为、英飞源、英可瑞处于第一梯队， 市场上还有深圳的维谛技术（艾默生）、盛弘、麦格米特、健网科技、菊水皇家、通合电子、中恒电气、泰坦、奥特迅、核达中远通、新亚东方、金威源、优优绿源、中兴、凌康技术、英耐杰、科士达、台湾的飞宏、华盛新能、北京的中思新科等厂家在对外销售或自家充电桩使用。

各主流充电机模块的型号、技术方案，技术参数和尺寸等相关参数如下表所示：

(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：

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模块的整流装置的拓扑。

• 大规模的充电站的建设需要大量的充电模块， 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， 可以选用数量较少且相对廉价的低电压等级的功率器件，大大降低了成本；

• 功率密度即单位体积的功率大小也是充电模块的重要指标， VIENNA整流器控制频率高的特点使电感和变压器的体积减小，很大程度上缩小了充电机的体积，提高了功率密度；

• VIENNA整流器的高功率因数和低谐波电流，使充电模块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整流器作为充电模块的整流装置拓扑。

• 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，不需要考虑死区，驱动电路也相对容易实现。

缺点：

• 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。 因此必须考虑直流侧中性点电位的平衡问题；

• 能量只能单向传递。

（2）两路交错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，从而减少电磁干扰，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。

（3）单相交错式三相三线制三电平 VIENNA：

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°。这样可以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。

2、后级 DC-DC的拓扑方式：

（1）两组交错式串联二电平全桥 LLC：

（2）两组交错式并联二电平全桥 LLC：

目前英可瑞及麦格米特的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。

优点：

• 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；

• 采用全桥LLC算法，可以实现整流二极管的零电流关断，提高效率，减小EMI；

• 轻载特性比较好。

缺点：

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，谐振电感和变压器设计困难，开关频率不固定，难以实现更大容量。

（3）三电平全桥移相 ZVS：

英飞源、维谛技术（原艾默生）采用的这种三电平全桥移相ZVS。

• 采用三电平技术，可以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；

• 移相全桥技术可以实现输出电压的宽范围调节，同时输出电压纹波小；

• 变压器不需要开气隙，有利于磁性元器件的功率密度的提升；

• 容易做在大功率，大容量。

不足之处：

• 轻载时，滞后臂不容易实现软开关；

• 整流二极管为硬开关，反向恢复电压尖峰高，EMI大；

• 占空比丢失。

（4）三相交错式 LLC:

通合电子，华为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。变压器可以由3个小尺寸的磁性组合，减小整机的高度，但是其控制复杂。

（5）三电平全桥 LLC:

盛弘电气，茂硕电源采用三电平全桥 LLC。

（6）两组交错式串联二电平全桥移相 ZVZCS ：

（7）两组交错式并联二电平全桥移相 ZVZCS ：

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）和（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。

(三) 充电模块技术特点及发展方向

对充电模块的技术现状及特点，以及未来的展总结如下：