【導(dǎo)讀】直到最近三到五年，我們才看到隨著法規(guī)的出臺、基礎(chǔ)設(shè)施的部署以及更多的插電式混合動力車（PHEV）和電池電動車（BEV）車型，行業(yè)開始采取具體行動推廣，電動車生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)擴增，最終提高了電動車的普及率。
電動車部署展望簡要
電動車、電動動力總成和汽車功能電子化技術(shù)已存在多年。事實上，第一輛電動汽車（EV）在19世紀(jì)末問世。
然而，近年來，人們對這種替代燃料技術(shù)的興趣重生，特別是在20世紀(jì)末。由于希望減少對氣候的影響，該行業(yè)正轉(zhuǎn)離內(nèi)燃機（ICE）汽車。
基于內(nèi)燃機的車輛以石油為燃料，這是一種日益稀缺的資源，嚴(yán)重污染環(huán)境，是氣候變化的主要促成因素。
直到最近三到五年，我們才看到隨著法規(guī)的出臺、基礎(chǔ)設(shè)施的部署以及更多的插電式混合動力車（PHEV）和電池電動車（BEV）車型，行業(yè)開始采取具體行動推廣，電動車生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)擴增，最終提高了電動車的普及率。
圖 1. 19 世紀(jì)末的電動車
近期這加速發(fā)展的最主要驅(qū)動力之一是對全球汽車制造商實施的排放監(jiān)管政策。在歐洲，自去年（2020年）開始生效的更嚴(yán)格的措施可能對不遵守這些措施的汽車制造商的底線[1]產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這些法規(guī)在未來幾年將逐漸變得更加嚴(yán)格。難怪汽車制造商正在迅速行動，增加他們的BEV車型，實際預(yù)測到2025年將有300款車型上路[2][3]。
在消費者端，政府在過去幾年里一直在向新能源車車主提供不同性質(zhì)的好處，以支持過渡到替代燃料車。從稅收減免，到免費停車和充電服務(wù)，以及使用高乘載車輛（HOV）車道。
圖 2. 按不同生產(chǎn)日期推出的 BEV 市場
資料來源: McKinsey/IHS Automotive (2019年7月)
此外，如果我們看看最近和現(xiàn)在，新冠肺炎(COVID-19) 一直是并將繼續(xù)是孵化幕后趨勢的加速器，如機器人化、5G和聯(lián)接，當(dāng)然還有電動車......特別是，以新技術(shù)和創(chuàng)新為主的多年投資計劃——無論是在公共還是私人領(lǐng)域。這些力量正在刺激電動車和PHEV的銷售增長，特別是現(xiàn)在在歐洲。中國一直是采用、市場增長和產(chǎn)品的開拓者，但最近幾個月，歐洲的銷售量已趕上了中國，達到了140萬輛的整體水平，同比增長137%。中國和美國的數(shù)字分別徘徊在134萬輛和33萬輛左右[4][5][6]。
圖 3. 預(yù)計2020-2024 年新能源車的銷量。報告于2020 年 COVID-19 影響之前發(fā)布
電動車快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。需求正在強勁增長
除了促進采用新能源車的直接激勵和措施外，整個環(huán)境還有其他變化也在加強向電動汽車的過渡。過去一直有一些潛在的路障阻礙了向新車型的演變，最突出的是：續(xù)航里程焦慮、新能源車輛的價格（屬于 "高端 "內(nèi)燃機汽車類別的價格范圍），最后，電池的充電時間與傳統(tǒng)車輛給油箱加油的時間（一個簡單、眾所周知的概念和快速過程）相比。增加電池容量和車輛優(yōu)化的千瓦時/公里比率，正在解決續(xù)航里程焦慮問題。近年來，BEV的價格正在穩(wěn)步下降，并越來越接近更廣泛的大眾市場類別，同時，如前所述，提供的車型更多了。
剩下的最后一個障礙是充電時間，慢速充電（有效功率不超過22 kW）和快速充電系統(tǒng)（22-400 kW及以上目標(biāo)）同時存在。特別是慢速充電系統(tǒng)已經(jīng)在家庭、公共停車場和工作場所的停車場相對廣泛使用（圖4）。不同的是，快速充電系統(tǒng)主要在公共場所、商業(yè)區(qū)或充電站/樁使用，因為它們需要專用的電力基礎(chǔ)設(shè)施，意味著大量的投資。在慢速充電的最高額定功率下，該系統(tǒng)可提供多100公里續(xù)航里程，約50-60分鐘，但即使是這些也不能輕易部署在家庭。在較低的功率端，當(dāng)使用專用電纜連接到標(biāo)準(zhǔn)插座時，家庭和私人可使用1.4-3.7千瓦/小時（取決于地區(qū)和適用的法規(guī)，功率可能會更大），但需要約5小時（3.7 千瓦）來增加100公里續(xù)航里程。相比之下，快速充電系統(tǒng)可在10分鐘內(nèi)提供這續(xù)航里程。對于相當(dāng)一部分駕駛員和使用情況來說，慢速充電可能是個可行的解決方案，但顯然不適合所有人或每一種情況。
圖4. 2019年按國家劃分的私人和公眾可使用的充電樁
因此，有效和可持續(xù)地過渡到電動汽車將需要部署快速充電基礎(chǔ)設(shè)施，以跟上道路上BEV的增長步伐。不僅在數(shù)量上，而且在額定功率方面。功率越高，充電時間越短，這是一個重要的因素，因為電池容量不斷增加，其技術(shù)不斷改進，允許更高的峰值功率（更快的充電速率）。難怪估計快速充電器的增長預(yù)測，從2020年到2027年，數(shù)量的年復(fù)合增長率為31.8%，同期市場規(guī)模的年復(fù)合增長率為39.8% [9 ]。圖4描述了2019年全球慢速和快速充電器的分布。
交流或直流充電：模糊的界限
在電動汽車方面，用于充電的電纜和連接器通常被稱為 "充電器"。交流（AC）插座與專用硬件設(shè)備（通常稱為 "墻盒"），作為連接充電線和為車輛充電的接口，被稱為 "充電器"，這可能會引起混淆，因為如果 "充電器 "我們考慮的是發(fā)生電力轉(zhuǎn)換的實際設(shè)備，那么上面討論的元素就不是充電器。
交流充電和直流（direct current, DC）充電是簡單的概念，但由于上述原因可能變得模糊不清。從本質(zhì)上講，兩者的區(qū)別在于將電力轉(zhuǎn)移到車輛的充電端口（而不是進入電池）的模式。在交流充電模式下，來自電網(wǎng)的交流電通過交流電插座或充電檔口輸送到汽車中。汽車將通過車載充電器（OBC）管理交流-直流電的轉(zhuǎn)換--這里正確的名稱是充電器，因為有電力轉(zhuǎn)換--并向電池提供直流電壓和電流。另一方面，在直流充電模式下，交流-直流轉(zhuǎn)換由車外充電器進行--我們再次談及充電器。圖5說明電動汽車的不同充電方式。由于車外的空間、重量和熱量限制更為寬松，所以直流充電的額定功率有很大的范圍。因此，直流充電的范圍甚至低于11 kW，最高可達400 kW。當(dāng)然，這些范圍內(nèi)的使用情況可能非常不同。另一點值得注意的是，并不是所有的車輛都能接受高直流電力水平的充電?，F(xiàn)在大多數(shù)已推出的車輛通常可以在直流模式下支持至少50 kW的速率。
圖5. 交流充電和直流充電概念圖
資料來源。Yolé Development
交流充電通常被稱為 "慢速充電"，這是因為它的功率限制（最高端通常為22 kW）和最短的必要充電時間。交流電的高功率范圍（11-22 kW）有時可能被稱為 "高功率交流電充電 "或 "快速交流電充電"，但沒有實際定義。另一方面，那些額定功率為22 kW、甚至高達400 kW的直流充電器被認為是 "快速"。“超快 "一詞也用于50 kW以上的功率，但沒有實際明確的界限或定義。目前，最常見的直流電能范圍在22-150 kW之間，功率在200-350 kW之間取得進展。快速和超快速的直流充電樁一般只在有三相電源連接到電網(wǎng)的專用區(qū)域公開提供。到目前為止，主要是在高速公路上的充電樁，可能會顯示多個超快速充電器（每個>150 kW）。這種設(shè)施需要一個來自電網(wǎng)的專用高壓變壓器。
充電率和時間
為了了解如今的充電時間，一個簡單的計算可以讓我們走得更遠。考慮到一輛電池容量為60千瓦時的汽車（BEV現(xiàn)在釋放的電池容量在30至120千瓦時之間）[10] 和一個100 kW的直流充電器，可以得出以下結(jié)果:
充電時間=電池容量（有效）*1[千瓦時]/平均充電功率[kW] 充滿電池的范圍=電池容量（有效）*1[千瓦時]/效率[千瓦時/100公里]60千瓦時/100 kW=36分鐘
60千瓦時/（18千瓦時/100公里*2）=~333公里
*1 在這個練算中，考慮的是完整的電池容量。可能有一些電動車會對全部 "有效 "容量構(gòu)成限制。
*2 通用值，將取決于每輛車的特性。通常情況下，將在12-23 千瓦時/100公里之間。
必須考慮到，并非所有道路上的車輛都能支持高達100 kW的直流充電率，目前發(fā)布的車型之間的實際差異通常在50 kW以下和250 kW以上[11]。同樣，車輛的效率也存在明顯的差異，以千瓦時/100公里的比率衡量。有可用的數(shù)據(jù)庫[12]提供多種BEV的詳細信息。此外，充電過程中的平均功率不等于汽車接受的峰值功率，因為隨著電池充電狀態(tài)（SOC）的提高，額定功率需要有上限。
在任何情況下，上述例子是有啟發(fā)性的，并提供了一個與基于內(nèi)燃機的車輛進行比較的標(biāo)準(zhǔn)。以100千瓦時的平均速度給我們的電動車充電，需要36分鐘才能提供333公里的里程，或者大約10分鐘才能提供100公里。對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車來說，同樣的運作需要三到五分鐘才能完成充電。有了這些數(shù)字，難怪市場正在迅速發(fā)展并推動更高的功率解決方案[在電動汽車供應(yīng)設(shè)備（EVSE）方面和車輛方面] 。允許超過350 kW功率。
直流充電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
為了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化交流和直流充電技術(shù)，促進支持電動汽車的兼容EVSE生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，已經(jīng)制定了一些標(biāo)準(zhǔn)和IEC規(guī)范。這些設(shè)定的框架，盡可能的全球化，幫助協(xié)會和行業(yè)發(fā)展協(xié)議和EVSE。然而，這遠遠不是個微不足道的話題，因為來自不同機構(gòu)的幾個標(biāo)準(zhǔn)和實施方案在全球范圍內(nèi)并存。
采用自上而下的方法，講出一些基本的標(biāo)準(zhǔn)（以及發(fā)布機構(gòu)的總部所在地），如下：
● IEC-68151（瑞士）
● IEC-62196 (瑞士)
● IEC61980 (瑞士)
● ISO1740 9:2020 (瑞士)
● SAEJ1772 (美國)
● GB/T18487 (中國)
● GB/T20234 (中國)
● GB/T27930 (中國)
如果我們研究借鑒這些標(biāo)準(zhǔn)的實際充電協(xié)議和生態(tài)系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)三個全球擴展的直流充電實施方案：CHAdeMO（"charge de move”移動充電的縮寫）、聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）和特斯拉超級充電樁。在中國，唯一的標(biāo)準(zhǔn)和實施的協(xié)議是GB/T，并且也是該地區(qū)獨有的。下一節(jié)將討論這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的一些特點。
直流充電的一些重要標(biāo)準(zhǔn)是什么？
IEC 61851。國際電工委員會（IEC）已經(jīng)制定了上一節(jié)中所列的幾個標(biāo)準(zhǔn)。IEC61851指的是 "電動汽車導(dǎo)電充電系統(tǒng)"，是IEC系列中電動汽車充電的核心部分，專注電動汽車導(dǎo)電充電系統(tǒng)的不同主題，包括分別達到1000 V和1500 V的交流和直流充電[13]。該標(biāo)準(zhǔn)定義了四種不同的充電 "模式"，其中前三種 "模式"（1至3）指的是交流充電，"模式 "4談及直流充電。IEC62196定義了 "插頭、電源插座、車輛連接器和車輛進氣口"，IEC61980涉及 "電動汽車無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)"。ISO17409:2020是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）關(guān)于電動汽車充電的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是對上述IEC61851的專門補充。該文件涉及IEC61851-1中定義的充電 "模式 "2、3、4的 "電力驅(qū)動的道路車輛--導(dǎo)電電力傳輸--安全要求"。
圖6. 闡釋IEC-61851中定義的充電 "模式 "
模式4定義了直流充電。資料來源。菲尼克斯電氣。SAEJ1772
在北美，管理標(biāo)準(zhǔn)是SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。該文件規(guī)定了在1000 V電壓下提供高達400 kW的直流充電。與IEC-61851中的充電 "模式 "不同，SAEJ1772規(guī)定了充電 "等級 "并定義了以下內(nèi)容。“交流1級"、"交流2級"、"直流1級 "和 "直流2級"（2017修訂版）。在此需要指出的是，''''三級''''充電仍然是一個未定義的術(shù)語，被廣泛（和誤導(dǎo)）用來指直流充電。已經(jīng)有 "交流3級 "的實際項目（盡管從未完全開發(fā)）和 "直流3級 "已被討論。在任何情況下，這些都是不同的概念，不能作為直流充電的同義詞使用。此外，不同地區(qū)和機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)可以交織在一起。SAEJ1772首先定義了用于交流充電的 "SAEJ1772 "連接器類型（命名為 "SAEJ1772連接器"），主要用于北美地區(qū)。后來，IEC-62196采用了相同的連接器，并將其確定為IEC-62196 Type 1，與在歐洲用于交流充電的IEC-62196 Type 2連接器形成對比。由于IEC連接器（Type 1和Type 2）使用相同的SAEJ1772信號協(xié)議，汽車制造商在銷售汽車時，要么使用SAEJ1772-2009進氣口，要么使用IEC Type 2進氣口，具體取決于市場。
直流充電協(xié)議
正如上一節(jié)所介紹的，有三種主要的充電協(xié)議在全球范圍內(nèi)擴展。
CHAdeMO - 該協(xié)會于2010年在日本成立，并制定了與之同名的電動車充電協(xié)議。該協(xié)議和組織由日本的主要汽車制造商和其他行業(yè)利益相關(guān)者支持和推動。日產(chǎn)、三菱、豐田、日立、本田和松下等等，其中也包括一些歐洲的參與者。這些協(xié)議借鑒了所討論的IEC6185-1、-23、-24和IEC62196標(biāo)準(zhǔn)，定義并使用專用連接器（圖7）。這些協(xié)議的范圍從CHAdeMO0.9到CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分別支持200 kW/500 V和400 kW/1000 V。CHAdeMO現(xiàn)在的目標(biāo)是900 kW的充電器，與中國電力企業(yè)聯(lián)合會（CEC）聯(lián)合開發(fā)一個被稱為 "ChaoJi "的超高功率充電標(biāo)準(zhǔn)[14]。這項合作還致力于成為第一個全球超快速充電器協(xié)議[[15]]。2020年5月，CHAdeMO報告實現(xiàn)了全球安裝32,000個快速充電器的目標(biāo)[[16]]，其中14,400個在歐洲。
圖7. 快速直流充電器的連接器類型。特斯拉在北美和其他地區(qū)使用一種專有的連接器。在歐洲和其他部署CCS和CHAdeMO網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，特斯拉正在順應(yīng)這些系統(tǒng)。來源：Enel X
聯(lián)合充電系統(tǒng)（Combined Charging System, 簡稱CCS）
另一個快速直流充電協(xié)議和系統(tǒng)最初由歐洲和美國的汽車制造商、EVSE基礎(chǔ)設(shè)施制造商和其他行業(yè)相關(guān)參與者開發(fā)和認可。亞洲制造商也加入了該組織。這些機構(gòu)大多正式組織為CharIN協(xié)會，負責(zé)協(xié)議的開發(fā)和推廣。CCS系統(tǒng)與適用的IEC、SAE和ISO標(biāo)準(zhǔn)一致，支持交流充電（單相和三相）和直流充電，提供超過200 kW的直流充電能力，350 kW正在準(zhǔn)備中[17]。在撰寫本博客時，CharIN網(wǎng)樁列出了已部署的超過33,800個直流充電點的總體數(shù)量，分布在以下功率范圍。6%低于50 kW，58% 50 kW，29% 150 kW和7% 250 kW。CSS規(guī)定了兩種用于直流充電的連接器，Combo 1和Combo（圖8），它們在原來的交流充電對應(yīng)物（Type 1和Type 2）的基礎(chǔ)上，增加了一個用于直流電流的雙引腳插座。在這種方式下，車輛上的獨特插座類型（每個地區(qū)）可以同時進行直流充電和交流充電。大多數(shù)CharIN的歐洲成員以IONITY的名義聯(lián)合起來，努力開發(fā)和部署一個全歐洲的快速充電樁網(wǎng)絡(luò)。
圖8. 帶有交流、直流（CHAdeMO）和直流（CCS）連接器的充電樁
快速直流充電用例和配置
在前面的章節(jié)中，我們已討論并了解了快速直流充電：
● 它是什么，它不是什么
● 功率和電壓水平以及充電時間
● 現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議
在本節(jié)中，討論將使我們更深入地了解這項技術(shù)，并揭示：a）實際部署直流充電器的配置；b）介紹 "引擎蓋 "下的關(guān)鍵功率電子，這已成為電動汽車的基石。不出所料，快速直流電動車充電是繼電動車本身之后功率電子領(lǐng)域創(chuàng)新的推進器之一，也是碳化硅（SiC）等新型電源技術(shù)采用最迅速的市場之一。
直流充電樁的基礎(chǔ)設(shè)施配置
直流EVSE部署的第一個也是最常見的使用案例包括一個端到端的系統(tǒng)，從電網(wǎng)到電動車的電池（圖9）。目前，這使用案例在充電樁和獨立的單體充電點中都可以找到，其中充電樁顯示了幾個這樣的轉(zhuǎn)換器。帶有多個快速或超快速充電器的充電樁需要一個高達1 MW（及以上）的高壓電網(wǎng)隔離變壓器，以便可靠地、不間斷地輸送電力。
在內(nèi)部，這些充電器由前端的AC-DC三相有源整流級組成，執(zhí)行功率因素校正（PFC）并提升直流鏈路電壓水平。隨后，一個隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換級使輸出電壓和電流適應(yīng)電動車中電池的需要。
圖9顯示了該系統(tǒng)模塊。為了最大限度地提高能效和規(guī)模，對高電壓系統(tǒng)的需求越來越大。這既適用于中間母線電壓（在PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器之間），也適用于輸出電壓，因為800 V及以上的電動車電池正在變得普遍。
如此高功率和高電壓的應(yīng)用獲得了SiC模塊技術(shù)的好處，它表現(xiàn)出更高的擊穿電壓，更低的RDSON和動態(tài)損耗，以及卓越的熱性能。損耗的減少、提高開關(guān)頻率的可能性和增強的熱耗散使系統(tǒng)尺寸的縮小成為可能，無源元件的縮小和冷卻要求的降低。這一系列獨特的性能使SiC模塊技術(shù)成為高效、功率密集和緊湊的快速直流充電解決方案的關(guān)鍵賦能者，可以方便地部署和大量擴展。在這種情況下，快速直流充電器的內(nèi)部模塊化也值得注意，因為大多數(shù)系統(tǒng)的特點是每個15-75 kW的堆疊子單元（圖9），這使得系統(tǒng)更加靈活和堅固，簡化了生產(chǎn)。
圖9. 快速直流電動車充電器的結(jié)構(gòu)圖(左)。具有多個功率級堆疊的高功率直流電動車充電器(右)
第二種EVSE部署配置，隨著電動汽車進一步滲透到市場并搶占交通的重要部分，將獲得相關(guān)性，包括儲能系統(tǒng)（ESS）的整合。這個用例也可能涉及可再生分布式能源資源（DER）的整合，主要是太陽能。這種類型的基礎(chǔ)設(shè)施將是維持電動車環(huán)境的一個關(guān)鍵支柱，充電樁將成為消費的焦點，并需要高的峰值功率。例如，5個額定功率為100 kW的充電樁將產(chǎn)生半兆瓦的峰值功率。僅僅依靠電網(wǎng)來維持多個充電樁的這種峰值功率實際上是不可能的，而這些充電樁將在全國范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。為了能夠在一天中可靠地提供能源，能源將來自電網(wǎng)，并在谷底時間轉(zhuǎn)移到高壓ESS。此外，太陽能將支持儲存的能量池，以幫助維持能量水平[20]。
圖10. 儲能和太陽能與電動汽車充電樁整合的可能框圖
這種配置將引起對不同結(jié)構(gòu)的直流充電器的需求，其中整流PFC級和DC-DC級是獨立的單元。圖10顯示了這種裝置的一個例子。在前端，三相PFC升壓級（AC-DC）將電力從電網(wǎng)輸送到DC BUS。在后端，該SC-DC雙向轉(zhuǎn)換器提供的由太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量被送入電動車充電器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）或保存在ESS中。綁定在車輛上的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器將使其輸出電壓適應(yīng)電池兼容的電壓水平400 V-1000 V。
什么是快速直流充電器中使用的常見拓撲結(jié)構(gòu)和功率器件？
在上一節(jié)中，已經(jīng)介紹了快速DCEV充電基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)配置，以及未來可能的典型基礎(chǔ)設(shè)施。下面介紹當(dāng)今快速DCEV充電器中使用的典型電源轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)和AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。
有源整流三相PFC升壓拓撲結(jié)構(gòu)
前端三相PFC升壓級可以用多種拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，而且?guī)追N拓撲結(jié)構(gòu)可以滿足相同的電力要求。在 "解密三相PFC拓撲結(jié)構(gòu) "中詳細介紹和討論了每種拓撲結(jié)構(gòu)的利弊和操作。圖11展示了快速直流電動車充電應(yīng)用中常見的PFC架構(gòu)。它們之間的一個首要區(qū)別是雙向性。T-中性點鉗制（T-NPC）和I-NPC拓撲結(jié)構(gòu)通過用開關(guān)取代一些二極管而適合雙向操作。6個開關(guān)的結(jié)構(gòu)是一個雙向的perse。
圖11. 用于快速直流電動車充電的典型三相功率因素校正（PFC）升壓拓撲結(jié)構(gòu)。
T-NPC（左上）、6開關(guān)（右上）和I-NPC（底部）
另一個影響設(shè)計和功率器件額定電壓的重要因素是架構(gòu)中的級數(shù)。6個開關(guān)的拓撲結(jié)構(gòu)是一個2級架構(gòu)，通常用900 V或1200 V的開關(guān)來實現(xiàn)快速直流電動車充電器。這里SiC MOSFET-模塊具有低RDS on（6-40 mQ）區(qū)域的首選解決方案，特別是對于每塊15 kW以上的高功率范圍。這種集成表現(xiàn)出比分立解決方案更優(yōu)越的功率性能，提高了能效，簡化了設(shè)計，減小了整個系統(tǒng)的尺寸，并最大化可靠性。T-中性點箝位（T-NPC）是一種3級拓撲結(jié)構(gòu)，使用1200 V整流器（以雙向形式用開關(guān)代替），中性點路徑上有650 V開關(guān)背對背。I-NPC是一個3級架構(gòu)，可能完全用650 V開關(guān)實現(xiàn)。650 V SiC MOSFET或IGBT與共包二極管代表了這些3級拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀替代方案。
圖12. F1-2 PACK SiC MOSFET模塊半橋。1200 V,10 mQ
DC-DC拓撲結(jié)構(gòu)
在研究DC-DC轉(zhuǎn)換級時，主要采用了三種隔離拓撲結(jié)構(gòu)：全橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器、全橋移相雙有源橋（DAB）零電壓過渡（ZVT）轉(zhuǎn)換器和全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器（圖13、14和15）。
全橋LLC諧振
LLC轉(zhuǎn)換器在初級端實現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS），同時--在諧振頻率及以下--在次級端實現(xiàn)了零電流開關(guān)（ZCS），從而在諧振頻率附近產(chǎn)生了非常高的峰值效率。作為一個純粹的頻率調(diào)制（FM）系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作點偏離諧振頻率時，這可能是需要寬輸出電壓操作時的情況，LLC的能效就會下降。然而，先進的混合調(diào)制方案使今天的脈沖調(diào)制（PWM）與調(diào)頻相結(jié)合，限制了最大頻率失控和高損耗。不過，這些混合實現(xiàn)方式還是給已經(jīng)有時很麻煩的LLC控制算法增加了復(fù)雜性。此外，并聯(lián)的LLCs轉(zhuǎn)換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來說，當(dāng)有可能在相對較小的電壓范圍內(nèi)工作時，和/或當(dāng)具備實施結(jié)合調(diào)頻和PWM的先進控制策略的開發(fā)技能時，LLC是一種難以超越的設(shè)計。它不僅可以提供最高的能效，而且從各個角度看都是一個非常全面的解決方案。LLC可以作為CLLC以雙向形式實現(xiàn)，這是另一種復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖13. 全橋LLC轉(zhuǎn)換器
帶有次級同步整流拓撲結(jié)構(gòu)的移相全橋DAB也非常典型。這些都是用PWM工作，一般來說，需要比LLC轉(zhuǎn)換器更簡單的控制。DAB可以被認為是傳統(tǒng)的全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器的演變，但漏電感器在初級端，這簡化了繁瑣的次級端整流，減少了二次開關(guān)或二極管的必要額定擊穿電壓。由于實現(xiàn)了ZVT，這些轉(zhuǎn)換器可以在很寬的輸出電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的高能效。這對于支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來說是個方便的因素。DAB的PWM工作帶來了好處。首先，它傾向于使轉(zhuǎn)換器的電磁干擾（EMI）頻譜比調(diào)頻系統(tǒng)中的更緊密。此外，用固定的開關(guān)頻率，系統(tǒng)在低負載時的行為更容易解決。通過同步整流，DAB是一種雙向的原生拓撲結(jié)構(gòu)，是快速電動汽車充電器的最通用的替代方案和合適的解決方案之一。
圖14.全橋移相式DAB ZVT轉(zhuǎn)換器
對于單向操作，傳統(tǒng)的全橋移相ZVT（圖15）仍然是一個可用的選擇，但滲透率越來越低。這種拓撲結(jié)構(gòu)的工作與DAB類似，但位于次級端的電感器在整流中帶來一個顯著的差異。電感器在二極管上設(shè)置了高的反向電壓，這將與占空比成正比和反比，因此，根據(jù)工作條件，二極管上的反向電壓可能超過輸出電壓的兩到三倍。這種情況在高輸出電壓的系統(tǒng)中（如電動車充電器）可能具有挑戰(zhàn)性，通常多個次級繞組（具有較低的輸出電壓）被串聯(lián)起來。這樣的配置并不那么方便，特別是如果考慮到功率和電壓的額定值，不同的拓撲結(jié)構(gòu)含單一輸出將提供相同或更好的性能。
SiC-模塊代表了上述DC-DC電源轉(zhuǎn)換級中全橋的一個非常合適和常見的解決方案，起價為15 kW。更高的頻率有助于縮小變壓器和電感器的尺寸，從而縮小整個解決方案的外形尺寸。
圖15. 全橋移相ZVT轉(zhuǎn)換器
拓撲結(jié)構(gòu)的變體
所討論的拓撲結(jié)構(gòu)存在多種變體，帶來額外的優(yōu)勢和折沖。圖16顯示了用于快速電動車充電的全橋LLC轉(zhuǎn)換器的一個常見替代方案。在移相中，開關(guān)在輸入電壓的一半以下，并使用600 V和650 V的斷電電壓器件。650 V SiC MOSFET、650 V SuperFET 3快速恢復(fù)（FR）MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助于解決不同的系統(tǒng)要求。同樣，用于出極端的二極管和整流器需要650 V的阻斷電壓等級。這些3級架構(gòu)允許單極開關(guān)，這有助于減少峰值電流和電流紋波，這將導(dǎo)致用更小的變壓器。這種拓撲結(jié)構(gòu)的主要缺點之一是，與具有較少電源開關(guān)的2級版本相比，控制算法需要額外的復(fù)雜程度。雙有源橋以及雙有源橋可以很容易地在初級端和次級端并聯(lián)或堆疊，以最配合快速電動汽車充電器的電流和電壓需求。
圖16. 3級全橋LLC
這種變體在初級端堆疊（只有一半的輸入電壓應(yīng)用于每個變壓器），在次級端并聯(lián)
次級端整流
關(guān)于次級端整流，如圖15所示，可以有多種解決方案，而且都可以使用不同的拓撲結(jié)構(gòu)。對于400 V和800 V的電池水平和全橋整流，650 V和1200 V的SiC肖特基二極管通常是獨特的性價比解決方案。由于其零反向恢復(fù)特性，與硅基替代品相比，這些器件大大增強了整流性能和能效，大大降低了損耗和整流級的復(fù)雜性。硅基二極管，如Hyperfast、UltraFast和Stealth，可以作為成本非常有限的項目的替代品，但要犧牲性能和復(fù)雜性。采用中心抽頭整流的解決方案（圖15）對于高電壓輸出整流級來說并不方便。與全橋整流不同的是，在全橋整流中，二極管的標(biāo)準(zhǔn)反向電壓等于輸出電壓，而在中心抽頭配置中，二極管要承受這個數(shù)值的兩倍。常規(guī)的全橋移相轉(zhuǎn)換器（電感在次級端），正如所解釋的那樣，在兩種整流方法（全橋或中心抽頭整流）中都需要更高的擊穿電壓二極管。為了克服常規(guī)全橋移相轉(zhuǎn)換器對1200 V或1700 V額定二極管的需求，幾個輸出將被串聯(lián)起來。
其他重要的設(shè)計考慮因素
除了電源轉(zhuǎn)換器中的拓撲結(jié)構(gòu)和開關(guān)器件外，在開發(fā)快速電動車充電器時，還有其他重要領(lǐng)域需要考慮，尤其是在使用SiC開關(guān)在高頻率下工作時。
門極驅(qū)動系統(tǒng)：
在所有的拓撲結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動系統(tǒng)仍然是快速直流電動車充電器的一個重要方面，對系統(tǒng)性能有直接影響。
隔離：
在隔離的主題下，首先要考慮的問題之一。鑒于快速直流電動車充電器所討論的高功率和高電壓，電隔離對于高端驅(qū)動器是必須的。對于低端同類產(chǎn)品，盡管從安全角度看并非總是嚴(yán)格必要的，但常見的做法是使用與高端相同的門極驅(qū)動系統(tǒng)和電路。這種方法帶來了多種好處，包括解決方案的實施和系統(tǒng)的穩(wěn)健性。一方面，它有利于同一半橋上的開關(guān)器件之間的延遲匹配。這簡化了PWM序列和死區(qū)時間的控制和實施，以防止擊穿事件。此外，隔離驅(qū)動器通過最大限度地提高其共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）來增強系統(tǒng)的堅固性，這在使用快速開關(guān)寬禁帶技術(shù)在高dV/dt驅(qū)動時特別重要，如SiC。這里還需要指出的是，采用開爾文連接的電源開關(guān)需要一個浮動或電隔離的驅(qū)動器（在高端和低端）來獲得配置的好處，因為它將大大減少損耗和提高傳播時間。
片上保護和功能:
門極驅(qū)動器的另一個關(guān)鍵考慮因素是片上集成功能（除電隔離外）和保護。根據(jù)系統(tǒng)的要求和開關(guān)的類型，可能需要過電流保護（"DESAT"）--IGBT和SiC MOSFET的典型保護--米勒鉗制（避免錯誤開啟）。包括這些或其他必要的封裝功能可以實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)，并最大限度地減少布局中的寄生電感，這是使用SiC的高開關(guān)頻率系統(tǒng)的基本要求。在數(shù)字控制的系統(tǒng)中，內(nèi)置保護也非常方便，可以提供板載保護。在系統(tǒng)能效方面，門極驅(qū)動器的接受端和源端能力對于通過快速充電和放電寄生門極電容實現(xiàn)快速開關(guān)轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。在使用SiC技術(shù)時，這在高功率應(yīng)用中特別重要，因為這比基于Si的IGBT或SJ MOSFET實現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換。
電隔離門極驅(qū)動器系列具有3.5 kV和5 kV額定值的NCD57XXX和NCD51XXX為開發(fā)快速電動車充電器帶來設(shè)計靈活性和系統(tǒng)可靠性，在片上集成了多種功能和保護措施，并顯示出高達9 A的驅(qū)動電流能力。該產(chǎn)品組合包括單通道驅(qū)動器，如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7，以及雙通道驅(qū)動器，如NCP51561、NCP51563和NCD57252/256，以滿足所有使用情況。
圖17. 電隔離的單通道和雙通道門驅(qū)動器框圖
驅(qū)動器電源:
與門極驅(qū)動器相鄰的一個話題是驅(qū)動它們所需的隔離電源。SiC開關(guān)的最佳性能是通過+20 V – 5 V的偏置電壓實現(xiàn)的，而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的細節(jié)可以在"Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驅(qū)動建議"。同樣，對于門極驅(qū)動器來說，電源需要緊湊和堅固，確保在所有工作條件下有穩(wěn)定的電壓軌。圍繞NCV3064開關(guān)穩(wěn)壓器的電源，如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC有助于滿足這些需求。
保護措施:
快速直流電動車充電的另一個重要考慮因素是系統(tǒng)中必要的安全保護，尤其是法規(guī)所規(guī)定的安全保護。強制性保護是針對車外的接地故障電流（GFC），以防止對人體產(chǎn)生危險的電擊風(fēng)險。特別是，充電電路中斷裝置（CCID）是專門為EV充電而開發(fā)的，IEC61851-1（前面討論過）和UL 2231-1/2標(biāo)準(zhǔn)分別對其在歐洲/亞洲和北美的實施進行了規(guī)范。FAN4147和NCS37014 GFC中斷器滿足這些法規(guī)的要求，為開發(fā)符合安全要求的EVSE提供了現(xiàn)成的解決方案。
輔助電源:
輔助電源單元（PSU）在電力系統(tǒng)中無處不在，快速直流電動車充電也不例外。隔離反激拓撲結(jié)構(gòu)是方便和可靠的選擇，可以提供低壓系統(tǒng)所需的典型的10-40 W。特別是，對于快速直流電動車充電，直流母線的電壓水平是影響整個系統(tǒng)的主要因素之一?，F(xiàn)在的趨勢是提高這些水平，以減少特定功率水平的峰值電流并提高能效。如今，直流母線電壓水平高達800 V（甚至更高）是很常見的，并不是所有的傳統(tǒng)方案都適合電動汽車充電。在這里，圍繞NCP1362準(zhǔn)諧振谷初級端開關(guān)或NCP1252和NCP12700次級端控制器開發(fā)的PSU可以幫助解決這些需求。在開關(guān)方面，具有高RDS on（160 mOhms）的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用，因為它們帶來了出色的性價比，是900 V DC系統(tǒng)的最佳方案。
歸結(jié)一切
在本博客的第一章節(jié)，我們已經(jīng)看到了電動車市場的增長是如何加速的，以及為什么隨著更多的電動車上路，快速直流充電需要（也將）保持吸引力。在過去的大多月份里，指向這一方向的新聞如雨后春筍般涌現(xiàn)，其中一個是美國總統(tǒng)宣布的到2030年建立50萬個直流充電樁網(wǎng)絡(luò)的計劃[21]。其最終目標(biāo)是推動電動車成為主流，擺脫以內(nèi)燃機為基礎(chǔ)的交通工具，并應(yīng)對氣候變化。快速和超快速的直流充電樁是電動汽車的一個關(guān)鍵支柱，也是完成生態(tài)系統(tǒng)的一個不可或缺的元素，在家庭中可以使用較低功率的交流充電替代品，因為可以在較長時間內(nèi)充電。作為一個新生的、快速發(fā)展的市場，快速直流電動車充電器的要求和使用案例在不斷升級，留下了一個需要各種解決方案和不同優(yōu)化的空間。不過，所有這些的共同點將是越來越高的功率、電壓水平和能效。此外，隨著此類基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模推出，競爭格局變得更加嚴(yán)酷，安裝的投資回報率也將需最大化，預(yù)計對尺寸、重量、成本和可靠性的限制也會加強。現(xiàn)在，SiC功率技術(shù)正在成熟，其價格正在達到有吸引力的水平，這為先進的SiC功率集成模塊技術(shù)的發(fā)展留下了空間。更高的能效和優(yōu)越的熱性能，使充電系統(tǒng)更輕、更小、成本更優(yōu)化，可提供高達400 kW的功率。除了SiC技術(shù)和功率模塊的內(nèi)在優(yōu)勢，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動車的基石。安森美半導(dǎo)體不僅是SiC技術(shù)和功率集成模塊的一個領(lǐng)先供應(yīng)商，而且在質(zhì)量上與眾不同。作為極少數(shù)擁有SiC完整供應(yīng)鏈的供應(yīng)商之一，安森美半導(dǎo)體確保我們的SiC分立及模塊產(chǎn)品的最高質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，以及卓越的運營和靈活性。
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繼續(xù)學(xué)習(xí):
● 開發(fā)一個25 kW的基于SiC的快速直流充電器
● 第一代1200 V SiC MOSFET和模塊: 特性和驅(qū)動建議
● 揭開三相PFC拓撲結(jié)構(gòu)的神秘面紗
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