電動汽車直流充電樁設(shè)計的解決方案

目前，全球已推出或即將推出 20 多款配備 800 V 系統(tǒng)的車型，提供超過350kW 充電功率的快速充電站已廣泛普及。預(yù)計充電模塊將朝著更高功率和更高效率的趨勢發(fā)展。通過采用合適的功率元件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及堅固耐用的控制器，我們將擁有更多大功率充電站，在解決用戶續(xù)航焦慮的同時減少碳排放。本文將介紹電動汽車直流充電樁設(shè)計的解決方案。

這是一種常見的兩電平電動汽車充電電路，由一個三相半橋功率級和第二個雙有源橋（DAB） 功率級組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行效率高，易于控制。它采用相移調(diào)制，在高負(fù)載下實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），同時在 200V 至 1000V 的寬充電電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)效率最大化。在 25kW 電動汽車直流充電樁的設(shè)計中，使用了 7 個半橋功率模塊。

安森美(onsemi)的全碳化硅（SiC）半橋功率集成模塊（PIM）非常適合電動汽車直流充電樁的設(shè)計，它具備易于安裝的封裝和規(guī)格， 極大降低了熱阻和寄生電感， 有助于實現(xiàn)更高的系統(tǒng)運行效率和功率密度

EliteSiC，全碳化硅功率集成模塊， M3S
NXH004P120M3F2，半橋， 1200V， 4mΩ

內(nèi)置全新第三代碳化硅芯片

出色的品質(zhì)因數(shù)（FOM） = [RDS(ON) × EOSS]

采用 HPS 或 DBC 基板， 低熱阻

預(yù)涂導(dǎo)熱界面材料

轉(zhuǎn)換器由使用寬禁帶元件的電橋組成，存在低邊 MOSFET 自導(dǎo)通的風(fēng)險。主要的原因包括米勒電容、柵極電阻和高 dv/dt。解決方案之一是使用提供負(fù)柵極電壓的柵極驅(qū)動器。

NCP51752 是一款單通道隔離柵極驅(qū)動器， 拉電流和灌電流峰值分別為 4.5 A/9 A。它可為快速開關(guān)應(yīng)用提供短且匹配的傳播延遲。NCP51752 最重要的特點是創(chuàng)新的嵌入式負(fù)偏置軌機(jī)制（-2/-3/-4/-5 V）。

在大功率狀態(tài)下工作時，監(jiān)控功率模塊和其他關(guān)鍵元件的狀態(tài)至關(guān)重要，尤其是它們的溫度。安森美 EliteSiC 全碳化硅（SiC）功率集成模塊（PIM）集成了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測，并迅速切換工作模式或激活冷卻器件。同時，為了防止短路和高電流造成的損壞， 需要將電流測量電路放置在電橋上。這種解決方案成本效益高，與柵極驅(qū)動器中的去飽和（DESAT）保護(hù)相比，提供了更好的靈活性。

安森美提供多種信號調(diào)節(jié)和控制產(chǎn)品。NCS2007x 系列運算放大器提供軌到軌輸出操作，3MHz 帶寬，并提供單路、雙路和四路配置。其多種緊湊的封裝和 2.7V 至 36V 的寬供電電壓范圍，使其適用于各種應(yīng)用。為實現(xiàn)高精度電流監(jiān)控，推薦使用 NCS21x，它具有低供電電壓和低偏置的零漂移架構(gòu)，可最大化在分流電阻上實現(xiàn)電流檢測，滿量程壓降可低至10mV。

在 25 kW 電動汽車直流充電樁的輔助電源設(shè)計中， NCV890100 用于為部分低壓元件供電。NCV890100 是一款固定頻率、單片式降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。它適用于要求低噪聲和小外形尺寸的系統(tǒng)。NCV890100 能夠以高于調(diào)幅（AM） 波段的恒定開關(guān)頻率將典型的 4.5 V至 18 V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至 3.3 V 的輸出電壓，從而無需昂貴的濾波器和電磁干擾應(yīng)對方法。

NCP3064 是另一款適用于升壓和降壓應(yīng)用的 DC-DC 穩(wěn)壓器，其設(shè)計特點在于最小化外部元件的數(shù)量。這兩款產(chǎn)品都集成了熱關(guān)斷保護(hù)功能（TSD）。

EliteSiC， 1200 V MOSFET， M3S 系列新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列：

針對高溫運行進(jìn)行了優(yōu)化

改善寄生電容，適合高頻運行

RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*

超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC*

高速開關(guān)，具有低電容特性(COSS =146 pF)*

提供開爾文源極連接

場截止第七代， IGBT， 1200 V：

新型 1200V 溝槽型場截止第七代 IGBT 系列

溝槽窄臺面與質(zhì)子注入多重緩沖技術(shù)

提供快速開關(guān)與低飽和壓降 VCE(SAT)類型

改進(jìn)寄生電容，適用于高頻運行

通用封裝

目標(biāo)應(yīng)用 - 能源基礎(chǔ)設(shè)施、工廠自動化

EliteSiC， 全碳化硅功率集成模塊， 900V/1200V：

可用配置：維也納，半橋，全橋

低熱阻

內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

在更高電壓下改善了 RDS(ON)

更高效、更高功率密度

靈活的高可靠性熱接口解決方案

如何選擇柵極驅(qū)動器

電流驅(qū)動能力：開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷實際上是輸入輸出電容器的充放電過程。更高的灌電流和拉電流能力意味著更快的導(dǎo)通和關(guān)斷速度，最終帶來更小的開關(guān)損耗。

故障檢測：柵極驅(qū)動器不僅用于驅(qū)動開關(guān)，還能保護(hù)開關(guān)甚至整個系統(tǒng)。例如，欠壓鎖定（UVLO）可確保柵極驅(qū)動器的電源處于良好狀態(tài)，去飽和（DESAT）用于檢測短路，有源米勒箝位可防止在快速開關(guān)系統(tǒng)中出現(xiàn)誤導(dǎo)通。

抗擾性：共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）是指柵極驅(qū)動器輸入和輸出電路之間共模電壓上升或下降的最大容許速率，它決定了該產(chǎn)品是否可用于快速開關(guān)系統(tǒng)。大功率系統(tǒng)以非?？斓淖兓蔬\行，例如大于 100 V/ns 時會產(chǎn)生非常大的電壓瞬變。隔離柵極驅(qū)動器需要能夠承受高于額定電平的 CMTI，以防止低壓電路側(cè)產(chǎn)生噪聲，并防止隔離勢壘失效。

傳播延遲：傳播延遲是指從輸入 10%到輸出 90%的時間延遲（供應(yīng)商之間可能有所不同）。這種延遲會影響器件之間的開關(guān)時序，這在高頻應(yīng)用中至關(guān)重要。設(shè)置死區(qū)時間可以避免擊穿乃至進(jìn)一步損壞，死區(qū)時間設(shè)置得越少，開關(guān)損耗就會越小。

兼容性：在新項目中，如果沒有重大設(shè)計變更，引腳對引腳的替換總是首選。選擇規(guī)格和封裝相似的柵極驅(qū)動器有利于快速設(shè)計。

當(dāng)然，并非每一點都需要遵循。例如，與 IGBT 不同， 碳化硅 MOSFET 的輸出特性更像可變電阻，沒有飽和區(qū)，這意味著普通的去飽和檢測原理行不通。作為解決方案之一，通常使用電流傳感器來檢測過流，或使用溫度傳感器來檢測異常溫度。

碳化硅（SiC） 隔離柵極驅(qū)動器NCP51561：

4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

36 ns 傳播延遲， 8 ns 最大延遲匹配

5 kV 電隔離， CMTI≥200 V/ns

雙通道設(shè)計

8 毫米爬電距離的 SOIC-16WB 封裝

隔離型大電流柵極驅(qū)動器NCD57080：

高電流峰值輸出（6.5 A/6.5 A）

欠壓鎖定（UVLO） ， 有源米勒箝位

3.5 kV 電隔離， CMTI≥100 V/ns

典型 60 ns 傳播延遲

單通道設(shè)計

8 毫米爬電距離的 SOIC-8WB 封裝

常用 AC-DC 功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

有源前端：

無橋接導(dǎo)通損耗

電路簡單，易于控制，元件少

開關(guān)需要耐受全母線電壓和尖峰電壓

寬禁帶（WBG）元件更受青睞，以降低總諧波失真（THD）

減小電感器尺寸

允許雙向轉(zhuǎn)換

維也納整流器和 T-NPC：

三電平配置降低了總諧波失真（THD）和開關(guān)上的電壓應(yīng)力

易于控制，每相只需一個驅(qū)動信號即可驅(qū)動背靠背開關(guān)

開關(guān)的母線電壓減半

橋接引起的導(dǎo)通損耗

通過全開關(guān)替換實現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換

交錯并聯(lián) Boost 電路，單相：

減小電感器尺寸、電流應(yīng)力和 EMI

易于控制，電路簡單， 雙倍/三倍元件

易于提高輸出功率

橋接引起的導(dǎo)通損耗 .

僅單向運行

圖騰柱 PFC，單相：

提高效率、 減少電磁干擾（EMI）、 降低總諧波失真（THD），減少每個導(dǎo)通周期的開關(guān)數(shù)量

開關(guān)數(shù)量少，功率密度高

需要寬禁帶元件以減少恢復(fù)損耗

零交越點噪聲、共模噪聲

支持雙向轉(zhuǎn)換

DC-DC 轉(zhuǎn)換的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LLC 諧振轉(zhuǎn)換器：

頻率調(diào)制， 諧振轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)軟開關(guān)以提高效率

初級側(cè)零電壓開關(guān)（ZVS） ， 次級側(cè)零電流開關(guān)（ZCS）

集成電感器以節(jié)省空間

復(fù)雜的諧振腔設(shè)計與控制

良好的 EMI 和輸出紋波

需要額外的 DC-DC 轉(zhuǎn)換以達(dá)到寬輸出范圍，以確保高效

在高頻/高電壓操作中，首選寬禁帶元件。

僅單向運行

雙有源橋變換器：

運行相移調(diào)制以實現(xiàn)高負(fù)載下的零電壓開關(guān)（ZVS）

兩級電流不匹配導(dǎo)致的意外損耗

相移、變壓器、頻率等方面的復(fù)雜設(shè)計以達(dá)到預(yù)期效率

在高頻/高壓運行中，首選寬禁帶元件

在大功率情況下減少輸出電流紋波以減小輸出電容器尺寸

隔離轉(zhuǎn)換以確保安全

CLLC 諧振變換器：

在 LLC 的基礎(chǔ)上增加一個電容器以實現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換

復(fù)雜的調(diào)頻和無源元件選擇，以實現(xiàn)雙向高效率 .

需要額外的 DC-DC 轉(zhuǎn)換以在確保高效的情況下達(dá)到寬輸出范圍

全負(fù)載范圍內(nèi)效率優(yōu)于雙有源橋（DAB）變換器

隔離轉(zhuǎn)換以確保安全

電動汽車直流充電樁設(shè)計的系統(tǒng)目標(biāo)、市場信息與展望、系統(tǒng)描述，請戳第一篇查看。