電動汽車充電樁對下一代交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。
電動汽車維護設(shè)備(EVSE)及時高效地為插電式電動汽車(PEV)中的牽引電池充電的能力是開發(fā)高功率、高性能、具豐富保護功能的電動汽車(EV)(非車載)充電機的主要驅(qū)動力。充電樁按電源能力分類，以處理不同的用例場景。一級充電器是120 V、輸出最大15 A的家用充電器，用于從家用交流電源插座進行夜間充電。二級充電適用于輸出電流達40 A的家用220 V或商用208 V交流電源插座。對于典型的日常通勤，每充電1小時可增加30英里的行程。直流快速充電(DCFC)樁的額定電壓為480 V，125 A直流電流，每充電20至30分鐘可增加90至100英里的行程。安森美半導(dǎo)體提供一系列領(lǐng)先行業(yè)的功率器件，包括高壓MOSFET、IGBT、碳化硅(SiC) MOSFET和二極管，并能將這些器件集成到定制的功率集成模塊(PIM)中，以優(yōu)化性能并加快開發(fā)周期。
電動汽車非車載充電機框圖
直流快速充電
消費者對這類方案的興趣很高，原因很明顯，他們不想在繼續(xù)行駛之前等待電池充電。大功率、大電流和高溫額定值通常與充電樁質(zhì)量相關(guān)，有時與外部零部件有關(guān);這要求阻斷電壓額定值超過1200 V的整流器。兩個低額定電壓值的二極管可以串聯(lián)安裝，但由于壓降高一倍會影響能效。也可用碳化硅二極管，但由于采用了“新”技術(shù)而成本高昂——下面將對此進行更多比較。
由于DCFC的額定電流是125A，二次整流塊需要具有優(yōu)化傳熱特性和最小化變壓器損耗的磁隔離。還可在次級整流級采用多個二次繞組分接頭(secondary winding tap point)拓撲，以滿足改進的傳熱和高輸出電流要求。把多個變壓器并聯(lián)可減輕一次繞組(primary windings)上的電流應(yīng)力，但由于這種方案占位更大，因此會減小功率密度。
高功率產(chǎn)生熱量。高效和可靠地提供初級、次級段的空氣循環(huán)至關(guān)重要，尤其是主變壓器。一個三相無刷直流(BLDC)電機驅(qū)動風扇可防止器件和變壓器繞組過熱。這將大大減少系統(tǒng)關(guān)斷/重啟事件，因為此非車載DCFC中的每個子系統(tǒng)模塊都將配備過溫保護(OTP)。BLDC電機所需的電路包括電機驅(qū)動控制器、橋電路以及與電動汽車充電器的微控制器單元(MCU)直接通信。
為實現(xiàn)三相交流電源的直流大功率輸出，使牽引電池充滿電，需要以下大功率塊：
•各交流相線(x3)功率因數(shù)校正
•全橋LLC 諧振轉(zhuǎn)換器
•次級整流
•阻斷二極管以防止反向電流
此外，還需要輔以下列電路：
一次繞組側(cè)：
•高壓門極驅(qū)動
•電壓檢測塊
•電流檢測放大器
•為門極驅(qū)動器、電壓和電流檢測供電的輔助電源塊
•電源線通信(PLC)調(diào)制解調(diào)器
•數(shù)字信號處理器(安森美半導(dǎo)體不提供此產(chǎn)品)
•LCD 背光塊
•集成門極驅(qū)動器的3相BLDC 電機控制器
•驅(qū)動無刷直流風扇電機的H橋拓撲(6 x40V MOSFET)
•用于3相/PFC塊和主DC-DC級的熱傳感器，反饋至MCU/DSP
二次繞組側(cè)：
•ADC (安森美半導(dǎo)體不提供此產(chǎn)品)
•隔離光耦
電動汽車非車載充電系統(tǒng)子模塊選擇
對比高壓MOSFET(功率MOSFET)、IGBT和碳化硅器件
電動汽車充電應(yīng)用要求在高溫環(huán)境下具有高電壓、高電流和高性能。以下是構(gòu)成電動汽車非車載充電系統(tǒng)的每個子模塊(PFC、主DC-DC橋、次級整流器和阻斷二極管)中可使用的三種器件的優(yōu)缺點總結(jié)。
功率MOSFET或超結(jié)MOSFET是垂直結(jié)構(gòu)。通過將P+一層層堆疊，阻斷電壓容限比橫向構(gòu)造的低壓MOSFET顯著增加。除了在反向偏壓條件下具有更高的阻斷容限外，還使這些堆疊的P+更靠近，增加單元密度。而且，這使得N epi外延層更薄，摻雜更高，導(dǎo)致單位面積的Repi更低，從而使總的硅通態(tài)電阻更低，同時具有高的阻斷電壓額定值。
IGBT具有MOSFET的精密門極控制和作為開關(guān)的雙極型功率晶體管的極高電流容量。這是因為門極終端通過SiO2絕緣，并且由于是多數(shù)載流子器件而具有高電流的優(yōu)點。它們不具有少數(shù)載流子器件如功率MOSFET在關(guān)斷器件時出現(xiàn)的電流密度方面的缺點。由于注入層為P型，與N型漂移層相連，因此這一大的界面區(qū)域必須經(jīng)歷反向恢復(fù)，從而導(dǎo)致較長的器件關(guān)斷期，進而產(chǎn)生長的尾流。
碳化硅是寬禁帶器件;帶隙為3.3 eV，而上述功率MOSFET和IGBT等硅器件帶隙為1.1eV。更寬帶隙的優(yōu)點是更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率和更高的工作溫度。漂移區(qū)比常規(guī)硅器件薄10倍，這就意味著電阻更低，從而實現(xiàn)更高能效的電源方案。
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