隨著電動汽車（EV）數(shù)量的增加，對創(chuàng)建更加節(jié)能的充電基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的需求也在日益增長，如此便可更快地為車輛充電。與先前的電動汽車相比，新型電動汽車具有更高的行駛里程和更大的電池容量，因此需要開發(fā)快速直流充電解決方案以滿足快速充電要求。150 kW或200 kW的充電站約需要30分鐘才能將電動汽車充電至80％，行駛大約250 km。根據(jù)聯(lián)合充電系統(tǒng)和Charge de Move標準，快速DC充電站可提供高達400 kW的功率。

 

今天，我們將研究驅(qū)動更快、更安全、更高效的充電器的半導體技術(shù)：

 

•  高壓半導體開關(guān)（絕緣柵雙極晶體管[IGBT]和碳化硅[SiC]）正在驅(qū)動系統(tǒng)中的總線電壓（800 V或1,000 V）。隨著系統(tǒng)電壓的升高，對隔離技術(shù)的要求也不斷提高，以確保整體安全性和可靠性。

 

•  隨著功率轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)頻率（幾百赫茲至幾兆赫茲），在這些高頻下工作會減小電路中使用的磁性組件和其他無源器件的尺寸，進而降低系統(tǒng)成本并提高總體功率密度。因此，需要高帶寬電流和電壓感測來精確地控制和保護數(shù)字功率級。

 

•  更高的效率要求使用多級復雜功率級，反之又需要高壓隔離柵極驅(qū)動器來有效切換這些功率級并減少總體開關(guān)損耗，同時還包括增強的隔離和短路保護功能。

 

讓我們更深入地研究這些技術(shù)推動因素：

 

隔離技術(shù)

 

安全合規(guī)性在EV充電器中至關(guān)重要，因為它們直接與公用電網(wǎng)連接。為了確保操作員安全、保護處理器免受高壓電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的損壞以及防止接地回路和不同通信子系統(tǒng)之間的電位差，隔離是必不可少的。具有次級側(cè)控制架構(gòu)的功率控制器不僅需在功率級（通過隔離變壓器）進行隔離，還需在控制器驅(qū)動電路和相關(guān)的信號調(diào)節(jié)電路中進行隔離。

 

由電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作引起的噪聲干擾會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生負面影響。例如，當電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)的瞬變發(fā)生時，高壓擺率會在信號路徑上引起瞬變電壓，并產(chǎn)生共模電壓瞬變，這需要具有高共模瞬變抗擾度（CMTI）的隔離器來維持信號完整性。

 

電動汽車充電站中直流母線電壓的增加也顯示出加強隔離對于操作人員安全性和可靠性的重要性。根據(jù)工作電壓，可分為三種基本隔離類別：功能隔離、基本隔離和加強隔離。功能隔離（也稱為工作隔離）不能保護或隔離電擊，但產(chǎn)品必須具備此功能才能運行。基本隔離是可提供基本防震保護的單層絕緣。增強隔離是一種可提供相當于雙重隔離電擊保護的單隔離系統(tǒng)。

 

半導體可使用多種隔離技術(shù)：

 

•  光學隔離使用LED光線在透明的非導電絕緣層上傳輸，其主要優(yōu)點是具有高電氣隔離值和低成本。但光隔離還具有較長的傳播時間、較低的抗噪性、較高的靜態(tài)電流以及隨溫度和老化而迅速劣化的絕緣性能。這些限制將光隔離技術(shù)限制在對成本敏感的低速電源轉(zhuǎn)換器上。

 

•  磁隔離通過變壓器線圈設(shè)計使用耦合電感傳遞信號，并在高頻下提供高隔離度。與光學技術(shù)相比，其具有更佳的傳播時間，但也具有較高電磁噪聲的問題、較低的抗噪性以及隨溫度和濕度而導致的絕緣劣化。

 

•   電容隔離使用變化的電場通過電容傳輸能量。該技術(shù)的優(yōu)勢在于它能夠高速運行，且其封裝相對較小。它具有較高的可靠性，在整個溫度范圍內(nèi)具有最佳的絕緣穩(wěn)定性，以及較高的光耦的共模抑制比和低輻射。

 

圖1所示為電容隔離。德州儀器在其隔離式柵極驅(qū)動器、放大器和數(shù)字隔離器中使用了電容隔離。