须弥山大会——李泽元：电力电子技术及其充电应用
时间: 2019-03-31 13:04 来源: 汽车总站 作者: sun
[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
三千大千世界，论道须弥山。2019年3月30日，第二届须弥山大会在江苏常州举行。会议由江苏省新能源汽车智慧能源装备创新中心主办，星星充电、江苏智行未来汽车研究院共同承办。会议围绕“智慧能源，电动时代”展开主旨探讨，与会嘉宾涵盖政产学研媒八百多人。
美国国家工程院院士，中国工程院外籍院士 Fred C. Lee 李泽元发表了主题为“电力电子技术及其充电应用”的演讲，以下为演讲实录。
各位来宾好，今天很荣幸站在各位面前，给各位做一个报告，我们最近在充电方面做的一些研究工作，也欢迎你们批评指正。
我昨天晚上听邵总的演讲是非常有感触，邵总的热情，邵总的投入，在这个领域里面（中国），会绝对站在领先的地位。邵总是领军，走在最前面的，很荣幸有这个机会认识邵总，荣幸跟各位见面。
我向各位谈的是我们在做的工作，我们做的工作基本对自己的定位是，看未来5-10年今后会走的方向，所以我介绍也不是你们现在用的东西，可能是将来你们会用的东西。
第一个板块是Next Generation of EV Charger，我想先跟各位讲一下电力电子的演变情况，电力电子的起源在半导体，公里半导体在60年代，BI-POLAR出来了，电力电子就正式做了开幕。所以在60年代，70年代的电力电子器件是BI-POLAR，在70年底，就新的器件叫做MOSFET出来了，MOSFET出来了给大家带来的机会是什么呢？
把频率可以提高10倍，所以我们看看在早期的电力电子的开关电源器件长的是什么样子，大概就是这个样子，这是个开关电源，大家懂得电力都很熟悉了，这里面有很多大件的东西，大件的东西磁原件，很多磁原件，电的原件都跟小，磁的原件都很大，当频率提到10倍以后，电力电子在效率上有很显著的进步，在功率密度上也有很显著的进步，所以东西越来越小，东西越来越有效率。
在80年代以后就没有在新的公里半导体器件出来，一直到最近这几年，第三代的公里半导体出来了。我们大家都知道这是宽禁带公里半导体在给我们一个机会，让我们把频率再往前推高10倍以上，那它给我们带来的不只是效率会提高，不只是功率民密度提高，还能够给我们带来什么样的东西，让我们有革命性的改变是我今天要讲的题目。
请大家看一看我们用宽禁带器件做同样的事情，东西做的当然是越来越小，效率越来越高，但是除此之外，可以看到它长的样子也变了。在60年代，70年代，一直到现在过去50年，开关电长的是样子大家心里很清楚。但是看下一代开关电源长的样子很不一样了，电感跑哪去了？变压器到哪里去了？都不见了，事实上不是不见了，都被藏在PCB里面了。这是我要跟各位介绍的一下，细节问题在后面会讲到。
它可以给我们带来一个新的机会，这个机会是我们过去不曾经有的，我用一分钟的时间介绍一下，新的宽禁带器件给我们带来的是什么机会。我拿一个最简单宽禁带器件来谈这个问题，GAN开关的时候倒通的损耗比SiC吸金片要小，开关掉的损耗给小，小到甚至可以没有。
但是如果把频率推高10倍，我得到是什么呢？可以看到，从Lost角度看问题，前面几个矮的，就是倒通损耗，中间有一个很高的那是开关损耗。当把开关频率提到10倍以后，导通损耗，Turn-On的损耗还是很高，把频率推到10倍是不经济的。
如果我用软开关的技术去做这件事我把导通的损耗就减少了，减少的程度是什么呢？你可以看到，蓝色的部分变的很小，变成红的，红的就是一点点了，所以这个情况是很奇特的情况，我们从来电力电子从来没有见过的情况，我频率推的这么高没有开关的损耗，只有导通的损耗，从来没有见过，过去60年没有见过，这是第一次看到。
我们看到这种新的现象，我们会不会从新去想一下，我们用这个器件做这件事情，还是按照老方法做呢？还是我们要重新去追求更好的方法去做这件事，这是我今天要讲的课题。
这个照片是讲的我们现在的On-Board Charger，EV的Charger长的是什么样子，从外表看起来还很好看，表面看上去很整洁，很好看，打开来看里面最少有一个变压器，在里面最少有四五个电感，这些东西又大，又重，这些东西都在这里面，这是我们现充电器的形态。它是一个没有标准化的产品，它是一个不模块化的产品，它也没有基层的工作，很难做这个电感变压器的集成，所以它是做生产制造上很麻烦的，很多工人用手去做的工作，所以不是个自动化的产品。
再看看我们，大家公认这个是最有效率的，它的难处是什么呢？还是电感变压器，这个东西又大又不能自动化的东西，我们有什么机会在这上面根本的改变？我套用中国的一句话，大概是《孙子兵法》里面讲，你把一件复杂的东西怎么去对付它呢？一个大的敌人，强大的敌人分解，分解很多块，一个一个对付他，所以Divide & Conquer用在这个上面是怎么用呢？
变压器很复杂，电感很复杂，又大又重。我把很复杂的变压器，先把频率推高10倍，把很复杂的变压器分解，一个变压器变四个变压器，四个变压器就比一个变压器的基本结构简单，但是还是很大。我频率提高10倍以后，它的体积就会减少10倍，这个来讲是可行的东西。
下面介绍一下我们怎么去把它Divide And Conquer，解决它很的设计跟制造程序，这是四个变压器的电路，就是刚才的电路。跟刚才是一模一样，这两个变压器要做成传统的变压器就长这个样子，两个磁心材料，这里讲的是PCB，线圈不是传统的线圈，是用PCB做的线圈。
这两个变压器在一起怎么做集成呢？可以看看这个照片，绕线是绕在磁心材料上面，方法一个是顺时针，一个是逆时针，你再把它转90度，中间的磁场就有正有负就消掉了。既然能够消掉的话它就不能它了，所以两个就磁心就是结合在一起变成一个磁心，这是一个最简单的集成概念。
这个概念在传统变压器上能不能做呢？其实不能的，没有经济效应，做起来很困难。但是在新一代的宽禁带器件，把频率推高10倍，20倍以后这个就变成很容易做，而且很有效率的做法，所以这是一个简单的例子，解释我刚才讲的Divide & Conquer，怎么把它分解以后，怎么一个一个克服。
最后两个transformers就一个很简单的PCB，六层板把所有的线圈都做进去，一个core就是一个现成的core套上去，就是两个transformers。基本介绍一下磁性材料怎么做集成，其次磁性材料在过去60年前做集成的工作非常非常少，因为它做起来很难做，而且划不来。但是现在在这个时代上，这个集成就变成很容易做了。
这是在讲另外一件事，我们一般除了变压器以外我们还要电感，电感的大小跟变压器差不多大，虽然电感量不大，但是体积还是一样大，所以我怎么把电感做在变压器上呢？这个电感，这个是变压器的做法，当你变压器做成这个样子的时候，你再测量它的电感非常小，不能用，太少了，怎么做呢？
我可以把电感做在变压器上，那怎么做呢？中间再装一个慈柱上去，装了一个慈柱会不会变成电感呢？就这么看，这个慈柱装上去跟不装上去是一模一样，没有电感出来，但是我怎么把慈柱上有磁通通过它呢？是这样的做法，这个变压器左右有对称性，我把它对称性打破，可以看到，左边红的线圈比较多，右边蓝的线圈比较多，它的对称性被打破以后，有电磁通就从中间这个柱子通过去，这个柱子的磁通就是电感。
这是漏磁通，但是不是传统的漏磁通，是被控制在一个磁心上面的磁通，所以这样我用很简单的方法把电感就做在变压器里面，这个对象有没有可能在传统的变压器上做呢？大概有可能，但是很难做，也没有人做，但是在这样的情况下很容易就把它做出来。
这是第三个特点，再往下看第四个特点，这个电路有优点，有缺点，它的优点是什么呢？它的DCD是CLLC的，这个CLLC在我们那领域里面被公认为是一个最有效率的电路，但是它的控制范围是有限的，在很有效率的工作情况下，它能控制的能力是有限的。既然如此，我要用它的话我就用它的长处，避开它的短处。既然控制能力有限，汽车的电池，电压变化是很大的，满载的时候是450伏，电池放电以后是250伏。这么大的变化下，用这个电路去做控制是很难，所以不做控制。
就是让电池的电压变化，把它转到左边去，这个让谁去管这件事呢？就是让左边的电路，它是一个很能干的电路，让它做这件事很简单，所以把这个工作交给它以后，我们现在用的器件从GaN变成Silicon可以看到，左边的电路用Silicon ，右边的电路用GaN这两个都是宽禁带器件。
这个做法也很特别，没有人这么做的，这个做法的好处是什么呢？在一个充电的周期里面，大部分的时间DCDC不做控制的工作，控制的工作交给PFC做，整体来讲就变成很有效率的电路，什么时候做控制的工作呢？是当你Charging满了，是需要DCDC来做控制的工作，所以这个是很轻松控制的工作。
而且这个效率别不足，那个时候效率并不重要，这个电路是一个双向的电路，它是一个VTG的电路，它可以从电往上拿电也可以送电，送到电网上，电网上说，我要感性的GaN我就给你感性的GaN，你要柔性的GaN我就可以给你柔性的GaN，所以这个电路是将来必须要走的路。
这是另外一个优点，下一个优点，这个电路上用在汽车上，电磁兼容是一个和重要的题目，我们知道汽车上有很多AI的东西，自动驾驶这些东西。如果电磁场电磁干扰很重的话，这些AI一做不好，出了车祸是很严重的，所以电磁兼容是很重要的事情，我们怎么在这个电路上做电磁兼容？把它做的更好？过去是没有机会的，过去没有机会把这个电路上电磁金融做的更好，看看我们现在怎么做。
这个机会是怎么来的？完全是用我们PCB的理念，去做它的电感变压器给我们的机会，你没有用PCB的理念去做这件事情，这个事情是非常难做的。这些红的地方都是电压跳动点，反正有电压跳动的时候就有电流流过去，流过去的电流从元编到次编的电流，就造成了巩膜的电流，这个巩膜电流是很不愿意看到的电流。
所以这个巩膜电流怎么去减少呢？从基本的概念上来讲，第一，我用把这个电路的对称性做出来，因为这个电路没有对称性，电压跳动的地方跟我用的器件上没有对称性，那怎么样做基本的工作？我如果做成一个对称性的话，电流同左到右，我把第二个的电流从右到左边的话，就在这个电路里面做环流。
所以如果我能做到这一点我就可以压制它的电磁兼容的问题，做到这一点要两个先觉的条件，第一个先觉的条件我必须要做成对称性，这个电路怎么做成对称性呢？把每一个地方，有电压跳动的地方，电路上把它做成对称。所谓对称我讲的是Complimentary，Complimentary 这个词是什么意思呢？我有正有反的意思，我有这我就有反，因为我这里要的就是一正一反的概念在里面。所以必须要加大把Noise Sources做成对称性，这是第一步。
第二步是在PCB板做线圈的时候，要很考究，这个问题怎么做呢？我要线圈安排的次序要仔细去看，基本的概念是什么？线圈跟线圈之间就有电流流过，这个电流实际参数是电容造成的，我如果第一个线圈流元编流到次编，我就要找到另外一个线圈从反方向流，这是做得到的。
我们每一个线圈都去注意它电流怎么流的话，我们上下就可以抵消掉，所以这样做回流。这个也是一个很全新的做法，以前没有机会做，因为做传统的方法上不可能做这件事情，但是在这个方法可以做，所以它对Complimentary Noise减少的程度是什么呢？在这张图上可以看到，低频的时候有20几个DB，在高频的时候有10几个DB，这也是一个点电路的特点。
ACDC电路的做法是类似，但是不一样，Interleaved也可以用PCB来做，过去在传统的思路上这个是不可行的，因为这样做起来损耗很大。但是我用两个Interleaved，用负耦合的方法去做，下面再加两个Interleaved，四个Interleaved我就可以把Complimentary Noise减少，这个概念也是在我们中心开发出来的东西，这个怎么做呢？也是重新在线圈的安排上做一些动作，下面加两个电感器不是另外的加的电感，是从上面两个电感借了一个线圈，就变成下面一个电感，这样的组织结构情况下，我们也可以把PFCA的Complimentary Noise减少，这个过去有没有机会做这些事情？没有机会，只有在这种方法上你有这个机会。这是我们做的Converter特点，现在市场上卖的Converter是一个很复杂多层板的结构，我们现在做的Converter频率高了10倍以上，就是用六层板一个PCB，是一个主板没有辅板把所有的功能就做到这里面，它的效率来讲基本上要比传统的效率，虚线是传统的效率，多个两个百分点左右。
这个不重要，最重要的是在一个 Charger周期里面，它的节能程度是40%，这个是从两个百分点上看不出来的东西，所以节能可以节省40%。进一步我们在做的是什么？我们现在所有的On-Board Charger都用的是电解电容，电解电容的寿命我们知道，在10年差不多到头了，超过10年做不下去了。
那你说怎么办？我们用Film Cap，薄膜的Cap去取换电解电容，Film Cap取换电解电容说来容易，做来难，因为Film Cap要用大量的Film Cap去做，取代电解电容，成本也高，体积也大，所以我们把Film Cap做到最小，那Film Cap用的量用的最小是什么意思呢？就会产生比较大量的工频，是在PFC的输出端可以看到，所以我们让它200伏的，200伏在电磁是不能接受的，所以就是DCDCConverter来做了。
这件事情是有代价的，因为不是很能够做，大概牺牲的效率0.5-1%左右。所以效率会从96点多会变成95点多，但是95点多的效率也在市场上算最好的，体积做的很小，效率还是比现在传统的做法要好。
这个技术我是不是可以再推广到Charger Studisn用的ChargerCLLC，用磁基层去做这件事，可以在把它功率再提高。功率提高了可以在Charger Studisn用，用单元来看，每一个单元大概是4000瓦，3个单元加在一起，就是1200瓦是做一个单元。要300千瓦的CLLC Charger几个呢？需要30个，要用的少就看Charger是多少，所以这个是一个很可行用在Charger Studisn的一种技术，这个东西我们也做成了一个Power Architecture ，样子大概是这个样子，简单一个点论就是这个样子，这个电路有多大呢？要比现在看到的产品要好四倍左右，这是一个单元，12千瓦的一个单元。
用在Charger Studisn上，什么地方用呢？就是DCDConverter，黄的这个地方，用的就是绝缘，要看什么样Charger的速度决定用几个这样的模块来做这件事情。
这个跟传统的东西很不一样的，我是已经退休的人，但是我还没有退休，我对这些事也有邵总的热情，我的热情是什么呢？我不是说我要改进它的性能，也不是要提升他的功率密度，我是说我要做别人以前做不到的，提高他的电磁兼容。更重要做的一件事，以前一直想做的是生产能力，把这些东西都变成生产自动化，不要人工。
我觉得这件事情才是一件大事，如果用宽禁带做这个工作，能够整个改变设计生产的模式，我认为是对我们电力电子是一个很大的贡献，谢谢各位。
[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
