一、AC-DC变换的基本原理
充电桩内部的充电模块完成的核心任务是将电网的交流电变换为电动汽车电池可以接受的直流电——这个过程称为AC-DC变换或整流。交流电的电压和电流方向周期性变化——而直流电的电压和电流方向保持不变。充电模块通过整流电路将交流电转换为脉动的直流电——再通过滤波电路将脉动平滑化为稳定的直流电——最后通过DC-DC变换器将直流电压调整到适合电池的电压等级。
整流电路的核心器件是功率二极管和功率开关管。功率二极管只允许电流单向流过——利用这个特性将正负交替的交流电的半波保留下来形成单向的脉动电流。现代充电模块中更多采用功率开关管的主动整流方式——效率更高且控制更灵活。
二、高频变压器和电气隔离
充电模块中有一个关键的安全设计——高频变压器。变压器将充电模块的高压侧和低压侧进行电气隔离——即使高压侧发生故障，故障电流不会传导到连接车辆的低压侧。同时变压器通过调节原边和副边的匝数比将电压变换到需要的等级。
为什么用高频变压器而不是传统的工频变压器？高频变压器可以做得非常小——工作频率从50Hz提升到数十千赫兹到数百千赫兹后——同样功率的变压器体积和重量可以缩小很多倍。这也是为什么充电模块可以做到手掌大小却能处理近百千瓦的功率——高频化是关键的技术突破。
三、功率因数和电磁干扰
充电模块的前端通常有一个功率因数校正电路。PFC的作用是让充电模块从电网取电的电流波形与电压波形保持同相——功率因数接近1——减少对电网的无功功率污染。PFC电路也是充电模块中重要的电磁干扰源——高频开关产生的高次谐波需要通过EMI滤波器抑制——确保充电模块不会对电网和其他电子设备产生干扰。
四、充电模块技术的进化方向
充电模块的技术进化沿着高效率、高功率密度和高可靠性的方向推进。碳化硅MOSFET正在逐步取代硅基IGBT成为新一代充电模块的主力开关器件——开关损耗更低和开关频率更高——模块效率从95%-96%可望提升至97%-98%。更高的工作频率意味着变压器和电感可以做得更小——模块的功率密度进一步提升。氮化镓器件在中小功率充电领域也有应用潜力。这些功率半导体技术的进步是充电桩性能提升的最根本驱动力。
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