全面详解充电桩充电模块常见结构和原理

随着电动汽车的快速发展，充电桩作为电动汽车产业的基础设施建设越来越受到中央和地方政府的重视，对充电桩电源模块的要求也越来越高，充电模块属于电源产品中的一大类，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。同时，充电模块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家，面对激烈的市场竞争，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，技术参数和尺寸等相关参数如下表所示：

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。

1、前级PFC的拓扑方式：

（1）三相三线制三电平VIENNA：

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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，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；

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；

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，不需要考虑死区，驱动电路也相对容易实现。

缺点：

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。因此必须考虑直流侧中性点电位的平衡问题；

2、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。欢迎注册论坛（www.21micro-grid.com）,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）

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，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：

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，可以实现整流二极管的零电流关断，提高效率，减小EMI；

3、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。

1、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；

2、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；

3、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；

4、容易做在大功率，大容量。

不足之处：

1、  轻载时，滞后臂不容易实现软开关；

2、  整流二极管为硬开关，反向恢复电压尖峰高，EMI大；

3、  占空比丢失。

（4）三相交错式LLC:

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）（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、             充电模块技术要求和特点及发展方向

四、自主研发方案

1、  初步方案：

2、控制板配置方案对比 

方案1：DSP+ARM方案 

方案2：DSP+ARM方案

方案对比：如下表

3、充电模块V2.0的主要任务

4、电源的发展方向和规划

在充电模块的电流检测电路中，会使用霍尔电流传感器，我们可以把电流检测分为几个范围。

1，检测5A到70A的直流或交流电流。

检测5A到50A的直流或交流电一般选用芯片式的霍尔电流传感器，比如

CH701电流传感器IC，是工业、汽车、商业和通信系统中交流或直流电流传感的经济而精确的解决方案。小封装是空间受限应用的理想选择，同时由于减少了电路板面积而节省了成本。典型应用包括电机控制、负载检测和管理、开关电源和过电流故障保护。 参考文章：霍尔传感器芯片该如何选型

CH701可以检测到50A峰值的电流。

如果需要检测更大电流，需要更高的隔离电压，可以选择更大电流范围的产品，比如16脚的CH701W系列，电流范围可以到70A，绝缘耐压可以到4800Vrms：

2，检测50A到200A的直流或交流电流。

可以选用直插型的电流传感器

CH704 是专为大电流检测应用开发的隔离集成式电流传感芯片。CH704 内置 0.1 mΩ 的初级导体电阻，有效降低芯片发热支持大电流检测：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其内部集成独特的温度补偿电路以实现芯片在 -40 到150度全温范围内良好的一致性。出厂前芯片已做好灵敏度和静态（零电流）输出电压的校准，在全温度范围内提供 ±2% 的典型准确性。

编辑：黄飞