25kW電動汽車直流快速充電樁：設(shè)計技巧、技術(shù)和經(jīng)驗總結(jié)

便捷高效的充電能力是所有純電動汽車 (BEV) 成功的關(guān)鍵。充電的地方越多，充電的速度越快，大眾就越有可能購買 BEV，而非燃油車。

但是，要讓設(shè)計的電動汽車快速充電樁緊湊、高效且可靠，并非易事。除了實際的轉(zhuǎn)換電路外，硬件保護技術(shù)也必不可少，需要設(shè)計人員對多種“假設(shè)”場景進行分析。方案包括使用由無源 RC 網(wǎng)絡(luò)和阻斷組件構(gòu)成的緩沖器。

圖 1：安森美 (onsemi) 基于 25kW SiC 模塊的直流快充系統(tǒng)

過壓和/或過流始終是個令人擔(dān)憂的問題，需要對功率半導(dǎo)體加以保護，確保它們不會受損。一種做法是添加具有指定閾值和遲滯的電壓比較器，它會在過壓時阻斷柵極驅(qū)動器。

過流問題更具挑戰(zhàn)性，但安森美的NCD57000具有過流去飽和保護 (DESAT) 功能，可以解決這個問題，而且對 BOM 和產(chǎn)品成本幾乎沒有影響。

圖 2：NDC57000 隔離型大電流和高效率 IGBT 柵極驅(qū)動器具有內(nèi)部電氣隔離功能。

諸如此類的硬件保護在測試和調(diào)試期間尤為重要，特別是在啟動階段，此時最有可能發(fā)生意想不到的開關(guān)操作。

NCD57000 用于功率因數(shù)校正 (PFC) 級，以保護 SiC 功率集成模塊 (PIM)。測試方法用于評估 DESAT 動作電流閾值，這也是功能測試前必不可少的步驟。DC-Link電容用于提供所需的高峰值動作電流，它將脈沖注入柵極，導(dǎo)通模塊，然后對動作進行 DESAT 保護，如圖 3 所示。

圖 3：DESAT 保護測試

這個測試可以將理論值與實際值進行比較，從而對設(shè)計做出調(diào)整。

NCD57000 也可以用于主雙有源橋 (DAB) DCDC 轉(zhuǎn)換器，依靠壓降來監(jiān)控電流水平。但這種方法容易受到器件特性的影響。雖然資料手冊包含了一些信息，但幾乎始終需要進行原型驗證。

圖 4：PFC 級（左），DAB 級（右）

還有一種方法是在原型設(shè)計之前執(zhí)行仿真，以便更準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)。它允許以非破壞性的方式仿真并分析初級和次級短路效應(yīng)，展示 DESAT 保護的增強功能，在輸出電壓范圍高達 200-1000V 時，為 DCDC 級設(shè)計人員提供寬工作電壓范圍方案。

SiC 技術(shù)的一大優(yōu)勢是它能夠在高頻率下運行。但這也說明，快速的 dv/dt會對 25kW 快速充電樁的物理布局產(chǎn)生影響。因此，必須優(yōu)化布局，盡可能降低寄生電感，特別是在電源走線中。此外，多個點需要通過緩沖電路來最大限度地減少過沖和振鈴，防止造成損壞并產(chǎn)生 EMI 問題。

圖 5：布局是電動汽車充電樁等 SiC 高功率設(shè)計的關(guān)鍵

系統(tǒng)級控制是另一個重要方面。25 kW 快速充電樁在 PFC 和 DAB 中具有多個閉環(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。這方面的挑戰(zhàn)在于如何為每個環(huán)路選擇增益，讓整個系統(tǒng)不會變得不穩(wěn)定。

由于測試需要高功率設(shè)備，設(shè)計人員通常會在工作臺上構(gòu)建一個環(huán)回裝置，包括兩個 PFC 級和一個 DAB 級，以便在受控條件下進行安全測試。環(huán)回測試也適用于大規(guī)模生產(chǎn)的老化測試階段，用于回收被測設(shè)備的能量，從而節(jié)省大量制造成本，助力實現(xiàn)世界低碳排放的愿景。

安森美編制了一份技術(shù)白皮書，詳細(xì)分析了為超快速電動汽車充電樁設(shè)計和調(diào)試 25 kW 直流快充模塊時所面臨的挑戰(zhàn)。白皮書中包含了可以使用的實用方法建議，并列舉了在此過程中學(xué)到的各種技巧和經(jīng)驗總結(jié)。