設(shè)計高效、強大、快速的電動汽車充電站

隨著電動汽車（EV）數(shù)量的增加，全球范圍內(nèi)對于創(chuàng)建更加節(jié)能的充電基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的需求也越來越多，而且這些系統(tǒng)和以往相比，可以更快地為車輛充電。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。根據(jù)聯(lián)合充電標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（CCS）和CHArge de MOve（CHAdeMO）標(biāo)準(zhǔn)，直流充電站是一種3級充電器，可提供120千瓦至240千瓦的功率。如今，150千瓦的充電站需要約30分鐘才能為電動汽車充入足夠的電量，并使其行駛約250公里。設(shè)計一個可以處理如此大功率的單功率處理單元需要采用難以控制的復(fù)合多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在現(xiàn)代充電站中，一種將功率輸出縮放到快速充電所需電平的方法是使用并聯(lián)堆疊的模塊化功率轉(zhuǎn)換器。由于直流充電站占用了大量空間，因此功率轉(zhuǎn)換器必須是模塊化的，且針對高效率和高功率密度進(jìn)行了優(yōu)化。

電池組有兩條充電路徑。第一條路徑是電網(wǎng)直接連接到車輛內(nèi)部的車載充電器（OBC）。此種OBC具有AC/DC和DC/DC功率轉(zhuǎn)換單元，通常額定功率高達(dá)6.6kW。在住宅和商業(yè)應(yīng)用中，這些OBC能夠在8到17個小時內(nèi)為電池充電。第二條路徑是使用單獨的物理充電站。圖1所示為充電站的系統(tǒng)架構(gòu)。該路徑由安裝在車輛外部的用于連接電網(wǎng)和電池的一組AC/DC和DC/DC功率處理單元組成。這些轉(zhuǎn)換器堆棧繞過OBC直接連接到電池。由于這些轉(zhuǎn)換器未安裝在車輛內(nèi)部，因此可以設(shè)計成高功率電平，從而實現(xiàn)快速充電。

圖1：直流充電站架構(gòu)

提高功率密度的第一步是為功率級選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組件。與絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）相比，像碳化硅（SiC）這樣的寬帶隙器件可以阻斷極高的DC鏈路電壓。轉(zhuǎn)換器可在更高電壓下工作，從而減少所需功率傳輸?shù)碾娏髁?。?fù)載電流量降低的直接影響是銅線使用量也會相應(yīng)減少，從而實現(xiàn)了功率密度的增加。

過渡到更高的直流電壓也使高質(zhì)量增強隔離更加得到重視。我們的電容隔離技術(shù)包括UCC21530、UCC21710和ISO5852S等柵極驅(qū)動器，可提供高達(dá)5.7 kVrms的增強隔離，從而使這些器件適用于SiC/IGBT應(yīng)用。圖2所示為采用SiC寬帶隙器件的優(yōu)勢。

圖2：SiC在增加充電站功率密度方面的優(yōu)勢

功率級中的SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）有助于通過向高達(dá)1000 V/1500 V的直流鏈路電壓移動來實現(xiàn)高功率密度。使用多級拓?fù)湓O(shè)計高功率轉(zhuǎn)換器（尤其針對10 kW及以上的轉(zhuǎn)換器）非常重要，因為它可降低器件上的電壓應(yīng)力，并使總諧波失真保持在可接受的水平。

我們的“三級三相SiC交流/直流轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計”顯示了一個T型三電平轉(zhuǎn)換器，其中T型臂中的開關(guān)只需要阻斷一半的直流鏈路電壓，從而能夠選擇由ISO5852S驅(qū)動的低成本、低壓阻斷器件，并大大節(jié)省成本。LMG3410R070等器件也可用于逆變器的T型分支。拓?fù)溥x擇在轉(zhuǎn)換器的雙向操作中也起著至關(guān)重要的作用，這對于車輛到電網(wǎng)的應(yīng)用非常重要。

開關(guān)頻率直接影響磁性元件和其他無源元件的尺寸。當(dāng)在高開關(guān)頻率下運行時，電感器和變壓器的尺寸呈線性減小。在功率級中使用SiC MOSFET使得能夠在高開關(guān)頻率下運行，從而提高功率密度。SiC器件具有出色的導(dǎo)通電阻和開關(guān)特性，還可最大限度地降低總損耗，從而有助于實現(xiàn)高功率密度。此外，效率的提高也意味著散熱解決方案得到改善，組件之間散熱較少也可提高功率密度。我們的C2000實時控制器可與SiC MOSFET完美配對，可提供這些高頻系統(tǒng)所需的性能和靈活性。軟件頻率響應(yīng)分析器和補償設(shè)計器等工具可輕松實現(xiàn)數(shù)字控制算法。

我們的高品質(zhì)組件和系統(tǒng)專業(yè)知識可幫助您克服電動汽車快速充電的挑戰(zhàn)。三相三級參考設(shè)計以及“適用于 3 級電動汽車的雙向雙有源電橋參考設(shè)計”均作為雙向轉(zhuǎn)換器運行，效率高于97％，功率密度約為1.4 kW/L（用于AC/DC級）和1.9 kW/L（用于DC/DC級）。這些設(shè)計演示了如何使用我們的柵極驅(qū)動器、實時控制器和傳感技術(shù)來驅(qū)動功率級的SiC MOSFET，并測量電壓和電流。它們有助于應(yīng)對設(shè)計高效、高功率密度、快速電動汽車充電站的挑戰(zhàn)。