在插電式電動(dòng)汽車(chē) (PEV) 系統中，充電器可分為三個(gè)級別：AC Level 1 (<1.92 kW)、AC Level 2 (<19.2 kW) 和 DC Level 3 (>19.2 kW)。1由于其體積和重量，不建議在高功率 3 級系統中使用車(chē)載充電器。
本文將為功率高達 22 kW 的非車(chē)載非隔離式直流快速充電器提出兩種拓撲結構。該充電器的典型模塊方案包括一個(gè) AC/DC 整流器級，然后是一個(gè) DC/DC 轉換器。AC/DC 級通常使用單相或三相應用來(lái)實(shí)現，具體取決于電網(wǎng)要求。三相選項提供了為電網(wǎng)接口和 DC/DC 級共享相同硬件的好處。在此處閱讀原文。
漏電流
漏電流是非隔離直流快充的典型問(wèn)題。圖1中的紅線(xiàn)表示漏電流可以流過(guò)電網(wǎng)地和EV底盤(pán)的路徑。2,3此問(wèn)題的一個(gè)常見(jiàn)解決方案是引入隔離式變壓器（電源轉換級）。然而，與非隔離式拓撲相比，隔離式系統的成本要高得多，體積也更重/更大。此外，變壓器會(huì )造成額外的功率損耗，從而降低效率。
圖 1：EV 充電系統中的漏電流路徑
根據 IEC 61851-1 標準，電動(dòng)汽車(chē)充電器不強制使用變壓器，4如果電動(dòng)汽車(chē)系統中包含剩余電流裝置 (RCD)，則無(wú)需額外的電氣隔離�；谏鲜鲆蛩�，建議采用非隔離式直流快速充電器來(lái)解決漏電流問(wèn)題，而無(wú)需使用額外的變壓器。
充電器配置
提議的充電器解決方案符合國際 (IEC) 和美國（IEEE、NEMA）標準。對于 IEC 標準，電源電壓為 240 V 或 400 V（三相），線(xiàn)路頻率為 50 Hz。在建議的直流充電器中，選擇 390 V 和 650 V 作為直流母線(xiàn)。
基本的兩級開(kāi)關(guān)臂、Supper 和 Slower，以及 LC 濾波器構成了建議的充電器。鑒于其高額定電流和電壓，Wolfspeed C2M0025120D SiC MOSFET 被選為電路的主要開(kāi)關(guān)�？紤]到快速充電的功率級別 3 要求和設備的額定電流，為電網(wǎng)接口側選擇了32A rms額定開(kāi)關(guān)臂電流。下一節解釋了選擇額定電流值 (32 A rms ) 的基本原理。
綜上所述，二級雙向非隔離直流快速充電器的設計一直基于圖2所示的配置選項。
圖 2：快速直流充電器配置選項
拓撲結構
針對所提出的充電解決方案引入了單相和三相兩種拓撲結構。
對于單相拓撲，可以使用圖 3 中的公式確定相電流，其中U grid、I grid和α分別是單相電壓、電流和功率因數。根據這個(gè)等式，在給定功率要求和電網(wǎng)電壓的情況下，可以計算出所需的電流。
圖 3：?jiǎn)蜗嗤負涞南嚯娏饔嬎?/font>
相應的拓撲結構如圖 4 所示。
兩個(gè)開(kāi)關(guān)臂在 AC/DC 側組合形成一個(gè)全橋整流器。DC/DC 轉換器只需一個(gè)開(kāi)關(guān)臂即可為電池提供直流電源（ 8 kW）。
圖 4：非隔離單相充電器的拓撲結構
與前一種情況類(lèi)似，當功率率和電網(wǎng)電壓已知時(shí)，可以確定相電流，如圖 5 所示。然后可以評估并聯(lián)開(kāi)關(guān)臂的總數 (32 A rms ) 。
圖 5：三相拓撲的功率計算
在圖 6 中，顯示了相關(guān)的拓撲結構。三個(gè)開(kāi)關(guān)臂構成三相整流器的交流/直流側。三個(gè)開(kāi)關(guān)臂并聯(lián)用于 DC/DC 轉換器為電池提供直流電源（ 22 kW）。
圖 6：非隔離式三相充電器的拓撲結構
可以看出，AC/DC 和 DC/DC 轉換器共享相同的直流母線(xiàn)。
硬件設計
實(shí)驗硬件由以下部分組成：
三相逆變器板，基于六個(gè) C2M0025120D SiC MOSFET、六個(gè) CRD-001 柵極驅動(dòng)器、九個(gè)直流總線(xiàn)電容器 (B32774D8505K) 和一個(gè)直流電壓傳感器 (RP1215D)
組件板，基于九個(gè)三相電容器（B32774D8126K000，12 μF）、三個(gè)電壓傳感器（RP1215D）、三個(gè)電流傳感器（CKSR 25-NP）和三個(gè)功率繼電器（T9SV1K15-12）
三相平面電感器，專(zhuān)為非隔離式快速充電器應用而設計
微控制器：TMS320F28377S MCU 用于為 AC/DC 轉換器和 DC/DC 轉換器生成 PWM 信號。
保護裝置：為了自動(dòng)切斷輸出和電池之間的連接，在電池本身和DC/DC轉換器之間安裝了一個(gè)直流斷路器（M9U21240）。在電網(wǎng)接口和 AC/DC 轉換器之間，連接了一個(gè)斷路器 (F204A-63/0.03) 和 RCD (M9F22463)。交流斷路器將防止在電網(wǎng)和接口之間流動(dòng)的交流電流發(fā)生過(guò)電流。如果電網(wǎng)漏電超過(guò)閾值，RCD 會(huì )檢測到并斷開(kāi)電網(wǎng)與逆變器的連接。
AC/DC 側的對稱(chēng)電路示意圖如圖 7 所示。逆變器板和元件板由高壓區域隔開(kāi)，距離為 8 mm，提供 800-V 隔離。
圖 7：電網(wǎng)側三相充電機示意圖
除了硬件保護外，軟件保護用于在出現意外情況時(shí)禁用充電器。
建議的拓撲結構的優(yōu)點(diǎn)
所提出的兩種非隔離拓撲都是無(wú)變壓器的，這大大減少了充電系統的空間和重量。所有組件都可以放置在一個(gè) 450 × 400 × 200-mm 的封裝中，而估計的 0.6 kW/L 功率密度顯著(zhù)高于目前市場(chǎng)上競爭的快速充電設備。
與獨立充電器相比，所提出的拓撲通過(guò)消除變壓器造成的損耗來(lái)提高效率。圖 8 顯示了 DC/DC 轉換級的評估效率。
圖 8：經(jīng)測試的 DC/DC 級效率
峰值效率達到99.3%，而在額定功率為22kW時(shí)，峰值效率為98.8%。額定功率下的平均效率為 98.5%。零序電流控制可以避免漏電流，因為網(wǎng)側電容器的公共點(diǎn)連接到直流母線(xiàn)。泄漏電流將被限制在較低水平并滿(mǎn)足標準要求。
