【導(dǎo)讀】便捷高效的充電對于所有電池供電的電動汽車（BEV）的成功至關(guān)重要，可用充電的地方越多，充電速度越快，消費(fèi)者就越有可能購買純電動汽車而不是化石燃料汽車。本文將為您介紹25 kW直流快速電動汽車充電器的設(shè)計(jì)技巧，以及由安森美（onsemi）所推出的相關(guān)解決方案。
便捷高效的充電對于所有電池供電的電動汽車（BEV）的成功至關(guān)重要，可用充電的地方越多，充電速度越快，消費(fèi)者就越有可能購買純電動汽車而不是化石燃料汽車。本文將為您介紹25 kW直流快速電動汽車充電器的設(shè)計(jì)技巧，以及由安森美（onsemi）所推出的相關(guān)解決方案。
直流快速充電技術(shù)提升電動汽車充電效率
當(dāng)前采用直流快速電動汽車充電技術(shù)，是現(xiàn)代電動汽車充電的一種重要方式，它可以大幅縮短充電時(shí)間，提高用戶的便利性和使用效率。
其中的關(guān)鍵技術(shù)首先牽涉到充電標(biāo)準(zhǔn)，目前主要有CHAdeMO、CCS（Combined Charging System）和Tesla Supercharger等多種充電標(biāo)準(zhǔn)，不同品牌和型號的電動汽車可能支持不同的充電標(biāo)準(zhǔn)，因此在選擇充電設(shè)備時(shí)需確保與車輛兼容。
此外，直流快速充電的充電功率通常比交流充電高，能夠快速將電能輸送到電池中。充電功率的高低會影響充電速度和效率，因此需要根據(jù)電動汽車的需求和充電設(shè)備的規(guī)格來選擇適合的充電功率。
直流快速充電需要專用的充電設(shè)備，通常設(shè)置在充電站或特定場所，并在充電時(shí)需要注意充電安全問題，包括避免充電過程中發(fā)生過熱、過充或其他安全風(fēng)險(xiǎn)。一般來說，充電設(shè)備和電動汽車都會具有相應(yīng)的安全保護(hù)機(jī)制，但使用者仍應(yīng)留意充電過程中的任何異常情況，及時(shí)處理或停止充電。直流快速充電相較于慢速充電，對電池的沖擊較大，因此建議適度控制直流快速充電的頻率，避免過于頻繁地使用直流快速充電，影響電池壽命和性能。
直流快速充電技術(shù)能夠有效提高電動汽車的充電速度和便利性，但在使用過程中仍需注意充電標(biāo)準(zhǔn)、充電功率、充電設(shè)備和充電安全等方面的問題，確保充電過程安全可靠。
SiC模塊是直流快速充電技術(shù)的關(guān)鍵元器件
碳化硅（SiC）模塊是直流快速充電技術(shù)中的關(guān)鍵元器件，SiC模塊包含SiC MOSFET和SiC二極管。升壓模塊用于太陽能逆變器的DC-DC級，這些模塊使用額定電壓為1200V的SiC MOSFET和SiC二極管。
SiC模塊是一種使用碳化硅半導(dǎo)體作為其開關(guān)的電源模塊，SiC電源模塊的目的是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換電力，以提高系統(tǒng)效率，SiC模塊的主要功能是轉(zhuǎn)換電力。碳化硅比硅具有優(yōu)勢，因?yàn)殡x開電源時(shí)的阻抗較小（由于效率提高），SiC器件可以在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行。基于SiC的系統(tǒng)比硅解決方案更緊湊、更輕，可實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)計(jì)。因此，SiC器件是想要提高效率和改善熱管理情況的理想解決方案。
為了解決直流快速充電所面臨的挑戰(zhàn)，安森美對SiC技術(shù)和封裝解決方案進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新，將有助于簡化電動汽車充電器的設(shè)計(jì)流程。安森美憑借著全面的分立電源和模擬解決方案、保護(hù)、傳感和連接等產(chǎn)品組合，可提供高質(zhì)量元器件，并根據(jù)客戶的需求定制系統(tǒng)，結(jié)合安森美在過去20年中不斷積累的系統(tǒng)專業(yè)知識，能夠同時(shí)將所有這些技術(shù)結(jié)合在一起，提供全面的解決方案。
設(shè)計(jì)快速電動汽車充電器所面臨的挑戰(zhàn)
想要設(shè)計(jì)一個(gè)緊湊、高效、可靠的快速電動汽車充電器并不是一件容易的事。除了實(shí)際的轉(zhuǎn)換電路之外，硬件保護(hù)技術(shù)也至關(guān)重要，需要設(shè)計(jì)人員分析多種“假設(shè)”場景，解決方案將包括由無源RC網(wǎng)絡(luò)和區(qū)隔元器件形成的緩沖器。
過高的電壓和／或電流始終是一個(gè)問題，需要提供保護(hù)以確保功率半導(dǎo)體不被損壞。其中一種技術(shù)是添加一個(gè)具有定義閾值和遲滯的電壓比較器，如果存在過壓，該電壓比較器會阻止柵極驅(qū)動器。
過流問題相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，安森美推出的NDC57000柵極驅(qū)動器，具有過流去飽和保護(hù)（DESAT）功能，因此可以在對BOM和產(chǎn)品成本影響最小的情況下解決該問題。諸如此類的硬件保護(hù)在測試和調(diào)試期間尤其重要，尤其是啟動階段，此時(shí)最有可能發(fā)生不可預(yù)測的切換。
NDC57000可在PFC級中用于保護(hù)SiC功率集成模塊（PIM），其測試方法可用于評估DESAT跳閘電流閾值，這是必須進(jìn)行的功能測試。直流母線電容器用于提供所需的高峰值跳閘電流，并向柵極注入脈沖以打開模塊，并允許DESAT保護(hù)跳閘。作為測試的結(jié)果，可以將理論值與實(shí)際值進(jìn)行比較，并進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。
對于主雙有源橋（DAB）DCDC轉(zhuǎn)換器，也可使用NDC57000，依靠壓降來監(jiān)控電流水平。然而，這種方法對器件特性很敏感，雖然數(shù)據(jù)表已包含一些信息，但還是需要進(jìn)行原型驗(yàn)證。
另一種方法是在開始制作原型之前進(jìn)行模擬，以便更準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)。這樣可以非破壞性的方式模擬和理解初級和次級短路效應(yīng)。DESAT保護(hù)的離散增強(qiáng)功能，可為輸出電壓跨度高達(dá)200-1000V的DCDC級設(shè)計(jì)人員，提供寬工作電壓范圍解決方案。
SiC技術(shù)的顯著優(yōu)勢之一是其能夠在高頻下運(yùn)行。然而，這意味著快速的dv/dt轉(zhuǎn)換速率，會對25 kW快速充電器的物理布局產(chǎn)生影響，必須優(yōu)化布局以最大限度地減少寄生電感，尤其是電源走線中的寄生電感。此外，在多個(gè)點(diǎn)上還需要緩沖電路，以最大程度地減少可能造成破壞并產(chǎn)生EMI問題的過沖和振鈴。
系統(tǒng)級控制是另一個(gè)重要領(lǐng)域，25 kW快速充電器在PFC和DAB內(nèi)配備多個(gè)閉環(huán)控制器，用于控制變壓器有源磁通平衡和初級到次級相移等參數(shù)，從而控制輸出電壓和電流。這里的一個(gè)挑戰(zhàn)是選擇每個(gè)環(huán)路的增益，以便整個(gè)系統(tǒng)不會變得不穩(wěn)定。
由于測試需要高功率設(shè)備，設(shè)計(jì)人員通常會在工作臺上構(gòu)建具有兩個(gè)PFC級和一個(gè)DAB的環(huán)回布置，以允許在受控條件下進(jìn)行安全測試。環(huán)回測試也適用于大規(guī)模生產(chǎn)的老化階段，其中被測器件的能量得到恢復(fù)，這可以節(jié)省大量的制造成本，以實(shí)現(xiàn)世界上的低碳排放使命。
具備高系統(tǒng)效率和可靠性的IGBT驅(qū)動器
安森美的NCD57000是一款具有內(nèi)部電流隔離的大電流單通道IGBT驅(qū)動器，專為高功率應(yīng)用中的高系統(tǒng)效率和可靠性而設(shè)計(jì)。其功能包括互補(bǔ)輸入、開漏故障和就緒輸出、有源米勒鉗位、負(fù)柵極電壓、精確的UVLO、DESAT保護(hù)、DESAT軟關(guān)斷，支持IGBT米勒平臺電壓下的高電流輸出（+4/-6 A），傳播延遲短且匹配準(zhǔn)確，具有高瞬態(tài)和電磁抗擾度，以及5 kV電流隔離能力與獨(dú)立的高低（OUTH和OUTL）驅(qū)動器輸出，以方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
NCD57000在輸入側(cè)可容納5V和3.3V信號，在驅(qū)動器側(cè)可容納寬偏置電壓范圍，包括負(fù)電壓功能。NCD57000提供>5 kVrms（UL1577等級）電流隔離和>1200 Viorm（工作電壓）功能。NCD57000采用寬體SOIC-16封裝，輸入和輸出之間保證有8 mm爬電距離，以滿足強(qiáng)化安全絕緣要求。
為了加快客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度，安森美也推出了NCD57000的參考設(shè)計(jì)套件。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK是一款基于SiC功率集成模塊的25kW快速直流電動汽車充電器參考設(shè)計(jì)套件。該完整SiC解決方案由PFC和DC-DC級組成，具有多個(gè)1200V、10 mohm半橋SiC模塊NXH010P120MNF1，超低RDS(ON)和最小化寄生電感，可顯著降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。依靠強(qiáng)大的通用控制器板（UCB），以及Zynq?-7000 SoC FPGA和基于ARM?的處理器，該系統(tǒng)可在200V-1000V輸出電壓下提供最大25kW的功率，并以96%的全局效率為400V或800V電動汽車電池充電。
SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK還重點(diǎn)介紹了電流隔離大電流驅(qū)動器NCD57000、輔助電源解決方案SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB，可為低壓元器件提供穩(wěn)定電壓軌、浪涌控制、過壓等集成保護(hù)和多個(gè)通信接口。
SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK可支持三相PFC和DAB，可實(shí)現(xiàn) 400V/800V電池的雙向功率轉(zhuǎn)換，符合 EN55011 A 級和 IEC 61851 規(guī)范，集成了半橋、1200V、10 mohm SiC M1 MOSFET的NXH010P120MNF1 SiC 模塊，以及隔離式大電流、高效率柵極驅(qū)動器 NCD57000。
結(jié)語
直流快速充電技術(shù)是電動汽車充電領(lǐng)域的一大突破，為電動汽車的普及和使用提供了更便捷、高效的充電方式。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用，直流快速充電已經(jīng)成為現(xiàn)代電動汽車充電的主流方式之一。本文所介紹的25 kW直流快速充電器的設(shè)計(jì)技巧，以及由安森美所推出的相關(guān)解決方案，將有助您加速開發(fā)直流快速充電相關(guān)產(chǎn)品，搶占市場先機(jī)。
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