優(yōu)化大功率直流充電樁設(shè)計(jì)

充電時間是消費(fèi)者和企業(yè)評估購買電動汽車 (EV)的一個主要考慮因素。為了縮短充電時間，業(yè)界正轉(zhuǎn)向采用直流充電樁 (DCFC) 。DCFC 繞過電動汽車的車載充電器，直接向電池提供更高的功率，從而大大縮短充電時間。

為了實(shí)現(xiàn)更快的充電速度、適配更高的電動汽車電池電壓并提高整體能效，DCFC 必須在更高的電壓和功率水平下運(yùn)行。這給 OEM 帶來了挑戰(zhàn)，必須設(shè)計(jì)出一種能夠優(yōu)化效率，同時不影響可靠性和安全性的架構(gòu)。

DCFC 集成了多種器件，包括用于輔助電源、感測、電源管理、連接和通信的器件。另外，為了滿足各種電動汽車不斷發(fā)展的充電需求，必須采用靈活的制造方法，這也使設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

圖 1. DCFC 中的主要模塊概覽

快速和超快速充電

圖 2 顯示了交流充電和直流充電之間的差異。對于交流充電（圖 2 左側(cè)），車載充電器 (OBC) 插入標(biāo)準(zhǔn)交流插座。OBC 將交流電轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹绷麟姙殡姵爻潆姟τ谥绷鞒潆姡▓D 2 右側(cè)），充電樁直接給電池充電。

圖 2.交流充電和直流充電概念圖。資料來源：Yolé Development

目前電動汽車的 OBC 依賴交流充電，最大額定功率為 22 kW。直流充電繞過了 OBC，直接向電池輸送直流電，因此能提供高得多的功率，從 50 kW 到 400 kW 以上甚至更高。

由于這個原因，DCFC 常被稱為“快速”或“超快速”充電樁。如此高的充電速度和更大的便利性為電動汽車帶來了更多的應(yīng)用和用例。例如，電動汽車如果需要八小時才能充滿電，是不適合長途駕駛的，但借助超快速充電樁，電動汽車可以在短暫的休息時間內(nèi)大量充電，增加車輛的續(xù)航里程，使其更加適合日常使用。因此，從現(xiàn)在到 2030 年，快速直流充電樁的復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)將超過 30%（來源：Yolé Development）。

碳化硅 (SiC) 和功率集成模塊 (PIM) 技術(shù)的進(jìn)步，是促進(jìn)向更快速充電轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵驅(qū)動力。SiC 使 DCFC 能夠以更高的頻率運(yùn)行（因而效率也更高），同時以更快的速度提供更多功率。PIM 使 OEM 能夠快速將先進(jìn)的技術(shù)集成到緊湊、輕便的設(shè)備中，并實(shí)現(xiàn)出色的熱管理、可靠性和可制造性，從而加快 SiC 技術(shù)的普及。

DCFC 剖析

如圖 3 所示，直流充電樁主要包括兩級：AC-DC 級和后續(xù) DC-DC 級。AC-DC 級將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而第二級確保以適合電池所需的電壓和電流水平提供功率。

圖 3. DCFC 的架構(gòu)

對于商業(yè)應(yīng)用，3 級充電樁需要使用三相電源（圖 4），可以在短短 30 分鐘內(nèi)增加 100 多英里的續(xù)航里程。在將電動汽車技術(shù)引入運(yùn)輸和物流等應(yīng)用方面，這些超快速充電樁將發(fā)揮重要作用。

圖 4. 單相電網(wǎng)的功率流（左），三相電網(wǎng)的功率流（右）

圖 5. 快速直流充電樁的架構(gòu)

3 級 DCFC 的前端由三相功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓級組成，可以是單向或雙向；升壓級可以采用各種拓?fù)洌ǘ娖交蛉娖剑?shí)現(xiàn)。PFC 級接受電網(wǎng)電壓（400 EU、480 US），并將其升壓至 700 至 1000 V。對于下一代充電樁，業(yè)界已經(jīng)瞄準(zhǔn)了更高電壓。

在升壓級之后，DC?DC 隔離級將總線電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。此電壓需要與電動汽車電池的充電曲線保持一致。因此，DC-DC 輸出可能需要在 150 V 至 1500 V 之間擺動，具體電壓取決于電池和所處的充電階段。轉(zhuǎn)換器通常針對特定電壓水平（常見為 400 V 或 800 V）進(jìn)行優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率水平，DCFC 會將多個功率模塊（圖 6）堆疊起來并聯(lián)運(yùn)行。

為了在此類高電壓下實(shí)現(xiàn)更高的效率，業(yè)界正從分立式、IGBT 和混合方案轉(zhuǎn)向 SiC 功率集成模塊 (PIM)。（圖 7）除 PIM 之外，DCFC 還需要多種功率器件，包括柵極驅(qū)動器 IC、數(shù)字隔離器、電源 IC（LDO、SMPS 等）和電流檢測。

圖 6. 300 kW DCFC 中的 12 x 25 kW 構(gòu)建模塊

銅片

圖 7. 機(jī)電設(shè)計(jì)比較

通信和連接也是 DCFC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。堆疊的模塊需要能夠與充電樁控制器通信，車輛和充電樁必須就充電序列進(jìn)行通信（CAN 或 PLC）。獨(dú)立的快速直流充電樁還需要能夠處理充電相關(guān)的支付。最后，充電樁需要管理自身的維護(hù)、軟件升級等（例如通過藍(lán)牙低功耗、Wi-Fi 4、LTE）。實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)由所使用的直流充電協(xié)議規(guī)定，例如 IEC?61851 / SAE1772、GB/T、CHAdeMO、組合充電系統(tǒng) (CCS) 或特斯拉超級充電樁（圖 8）。

圖 8. 交流和直流快速充電樁的架構(gòu)

DCFC 關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

設(shè)計(jì) DCFC 時，有多個關(guān)鍵因素需要考慮，這些因素會影響架構(gòu)設(shè)計(jì)和器件選擇：

目標(biāo)效率：

確定應(yīng)優(yōu)化效率的電壓和功率范圍。充電樁在充電期間在不同的電平運(yùn)行，因此系統(tǒng)應(yīng)針對對電力傳輸效率影響最大的電平進(jìn)行優(yōu)化。

分立式設(shè)計(jì)還是功率集成模塊 (PIM)：

分立式設(shè)計(jì)的靈活性更大，但開發(fā)過程也更復(fù)雜（圖 7）。對于許多應(yīng)用而言，模塊在效率方面的諸多優(yōu)勢是分立式設(shè)計(jì)難以企及的。例如，模塊將多個功率器件集成在單個緊湊的封裝中，簡化了機(jī)械組裝，優(yōu)化了熱管理，提高了可靠性，并減少了電壓尖峰和高頻 EMI。

架構(gòu)/拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（即二電平還是三電平）以及充電樁需要單向運(yùn)行還是雙向運(yùn)行，都會影響器件的選擇。實(shí)現(xiàn)直流充電樁 PFC 和 DC-DC 級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)有許多。由于功率和電壓水平非常高，許多 OEM 的首選架構(gòu)一般是三級功率因數(shù)校正 (PFC)。PFC 設(shè)計(jì)最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三開關(guān) Vienna（單向）、NPC、A-NPC、T-NPC（雙向替換二極管）和六開關(guān)（雙向） 。DC?DC 級通常以全橋或相移 LLC 及其變體實(shí)現(xiàn)，并采用雙有源橋 (DAB) 架構(gòu)支持雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括二電平和三電平系統(tǒng)，它們分別采用 600 至 650 V 或 900 至 1200 V 開關(guān)和二極管。（進(jìn)一步了解拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：快速直流電動汽車充電：系統(tǒng)中使用的常見拓?fù)浜凸β势骷?

約束條件：

應(yīng)注意物理系統(tǒng)約束，包括尺寸、重量、成本和其他需要考慮的限制因素。例如，如果尺寸和重量很重要，那么選擇基于 SiC 的模塊將能降低總體布線要求，減小系統(tǒng)尺寸，并減輕車重。

熱管理：

管理散熱對于維持效率、可靠性和系統(tǒng)使用壽命至關(guān)重要。使用 SiC 器件以更高頻率運(yùn)行，可以提高功率密度，提升效率，并減少需要管理的熱量。此外，許多模塊還針對使用極低熱阻材料的熱傳遞進(jìn)行了優(yōu)化。

仿真模型：

擁有器件和模塊的精確模型可以大大簡化和加速設(shè)計(jì)過程，尤其是在權(quán)衡多種設(shè)計(jì)方案時。

通信：

明確特定應(yīng)用需要哪些標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。確保所選的供應(yīng)商和產(chǎn)品系列支持所有可能需要納入的標(biāo)準(zhǔn)，以支持當(dāng)今和未來的電動汽車。

保護(hù)：

根據(jù)法規(guī)要求，必須配備接地故障斷路 (GFI) 功能。其他功能（如浪涌電流和過壓保護(hù)）也至關(guān)重要。系統(tǒng)中如何集成這些功能（即單獨(dú)的電路、功率級的一部分、集成在模塊上等），將會影響對其他系統(tǒng)約束條件的優(yōu)化。

先進(jìn)的充電架構(gòu)

理想情況下，電動汽車在非高峰時段充電。這會大大降低電力成本，并減少高峰時段電網(wǎng)的負(fù)荷，避免造成停電。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，直流充電樁需要與儲能系統(tǒng) (ESS) 和太陽能發(fā)電系統(tǒng)集成。ESS 在非高峰時段充電，儲存電力以供白天使用。通過安裝太陽能電池板以在白天發(fā)電，可以減少對 ESS 電力的消耗，從而減輕 ESS 的負(fù)荷。在這種配置中，DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以連接到高壓總線來為電動汽車充電。

圖9. 由可再生太陽能電池板和儲能設(shè)施供電的快速超級充電樁

安森美(onsemi)致力于在供應(yīng)鏈的所有層面實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。對于希望采用此類先進(jìn)架構(gòu)的 OEM，安森美可以幫助他們以高效、安全、可靠、可持續(xù)的方式集成合適的技術(shù)。

快速和超快速直流充電是電動汽車的未來?？焖僦绷鞒潆姌赌軌?qū)⒊潆姇r間縮短至不到一小時，這將為電動汽車開辟一系列全新的應(yīng)用領(lǐng)域和使用場景。

總結(jié)

通過了解影響器件選擇的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素，工程師可以優(yōu)化大功率直流充電樁架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高的效率、可靠性和性能。隨著碳化硅和功率集成模塊等技術(shù)的進(jìn)步，工程師可以更快速地評估和設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)，而無需作出妥協(xié)。由此，OEM 可以迅速且經(jīng)濟(jì)高效地滿足市場的充電需求。而且，OEM 可以與合適的合作伙伴合作，通過集成儲能系統(tǒng)等新技術(shù)來創(chuàng)建更具可持續(xù)性的基礎(chǔ)設(shè)施，從而不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量和實(shí)用性。

雖然 IGBT 和混合實(shí)現(xiàn)方案仍在使用，但基于 SiC 的功率模塊正迅速成為 DCFC 充電應(yīng)用的首選方案。安森美提供專用于 DCFC 的現(xiàn)成 PIM 系列，其具有 EliteSiC 900 V 和 1200 V 擊穿電壓額定值。這些模塊支持半橋和全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用 F1 和 F2 封裝，具有極低的 RDSons（3 至 40 mΩ，具體取決于配置）。此外，安森美正在開發(fā)多種使用 M3S 技術(shù)平臺的新的 SiC PIM 產(chǎn)品，以進(jìn)一步為設(shè)計(jì)人員的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。

安森美還提供豐富的參考設(shè)計(jì)和硬件，配備專門的專家應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，為全球電動汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供 SiC 驅(qū)動器優(yōu)化和系統(tǒng)方案專業(yè)知識，讓設(shè)計(jì)人員可以快速評估驅(qū)動器并加速應(yīng)用開發(fā)。