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          電動汽車直流充電樁設(shè)計(jì)指南完整版來了,全干貨!

          作者: 時(shí)間:2024-06-06 來源:安森美 收藏

          前,全球已推出或即將推出 20 多款配備 800 V 系統(tǒng)的車型,提供超過350kW 充電功率的快速充電站已廣泛普及。預(yù)計(jì)將朝著更高功率和更高效率的趨勢發(fā)展。通過采用合適的功率元件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及堅(jiān)固耐用的控制器,我們將擁有更多大功率充電站,在解決用戶續(xù)航焦慮的同時(shí)減少碳排放。本文將介紹直流設(shè)計(jì)的解決方案。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202406/459631.htm

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          這是一種常見的兩電平充電電路,由一個(gè)三相半橋功率級和第二個(gè)雙有源橋(DAB) 功率級組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行效率高,易于控制。它采用相移調(diào)制,在高負(fù)載下實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS),同時(shí)在 200V 至 1000V 的寬充電電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)效率最大化。在 25kW 直流的設(shè)計(jì)中,使用了 7 個(gè)半橋功率模塊。

          安森美(onsemi)的全碳化硅(SiC)半橋功率集成模塊(PIM)非常適合電動汽車直流的設(shè)計(jì),它具備易于安裝的封裝和規(guī)格, 極大降低了熱阻和寄生電感, 有助于實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)運(yùn)行效率和功率密度

          EliteSiC,全碳化硅功率集成模塊, M3S NXH004P120M3F2,半橋, 1200V, 4mΩ

          ■ 內(nèi)置全新第三代碳化硅芯片

          ■ 出色的品質(zhì)因數(shù)(FOM) = [RDS(ON) × EOSS]

          ■ 采用 HPS 或 DBC 基板, 低熱阻

          ■ 預(yù)涂導(dǎo)熱界面材料

          轉(zhuǎn)換器由使用寬禁帶元件的電橋組成,存在低邊 MOSFET 自導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。主要的原因包括米勒電容、柵極電阻和高 dv/dt。解決方案之一是使用提供負(fù)柵極電壓的柵極驅(qū)動器。

          NCP51752 是一款單通道隔離柵極驅(qū)動器, 拉電流和灌電流峰值分別為 4.5 A/9 A。它可為快速開關(guān)應(yīng)用提供短且匹配的傳播延遲。NCP51752 最重要的特點(diǎn)是創(chuàng)新的嵌入式負(fù)偏置軌機(jī)制(-2/-3/-4/-5 V)。

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          在大功率狀態(tài)下工作時(shí),監(jiān)控功率模塊和其他關(guān)鍵元件的狀態(tài)至關(guān)重要,尤其是它們的溫度。安森美 EliteSiC 全碳化硅(SiC)功率集成模塊(PIM)集成了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC),能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測,并迅速切換工作模式或激活冷卻器件。同時(shí),為了防止短路和高電流造成的損壞, 需要將電流測量電路放置在電橋上。這種解決方案成本效益高,與柵極驅(qū)動器中的去飽和(DESAT)保護(hù)相比,提供了更好的靈活性。

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          安森美提供多種信號調(diào)節(jié)和控制產(chǎn)品。NCS2007x 系列運(yùn)算放大器提供軌到軌輸出操作,3MHz 帶寬,并提供單路、雙路和四路配置。其多種緊湊的封裝和 2.7V 至 36V 的寬供電電壓范圍,使其適用于各種應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)高精度電流監(jiān)控,推薦使用 NCS21x,它具有低供電電壓和低偏置的零漂移架構(gòu),可最大化在分流電阻上實(shí)現(xiàn)電流檢測,滿量程壓降可低至10mV。

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          在 25 kW 電動汽車直流充電樁的輔助電源設(shè)計(jì)中, NCV890100 用于為部分低壓元件供電。NCV890100 是一款固定頻率、單片式降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。它適用于要求低噪聲和小外形尺寸的系統(tǒng)。NCV890100 能夠以高于調(diào)幅(AM) 波段的恒定開關(guān)頻率將典型的 4.5 V至 18 V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為低至 3.3 V 的輸出電壓,從而無需昂貴的濾波器和電磁干擾應(yīng)對方法。

          NCP3064 是另一款適用于升壓和降壓應(yīng)用的 DC-DC 穩(wěn)壓器,其設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于最小化外部元件的數(shù)量。這兩款產(chǎn)品都集成了熱關(guān)斷保護(hù)功能(TSD)。

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          EliteSiC, 1200 V MOSFET, M3S 系列新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列:

          ■ 針對高溫運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化

          ■ 改善寄生電容,適合高頻運(yùn)行

          ■ RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*

          ■ 超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC*

          ■ 高速開關(guān),具有低電容特性(COSS =146 pF)*

          ■ 提供開爾文源極連接

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          場截止第七代, IGBT, 1200 V:

          ■ 新型 1200V 溝槽型場截止第七代 IGBT 系列

          ■ 溝槽窄臺面與質(zhì)子注入多重緩沖技術(shù)

          ■ 提供快速開關(guān)與低飽和壓降 VCE(SAT)類型

          ■ 改進(jìn)寄生電容,適用于高頻運(yùn)行

          ■ 通用封裝

          ■ 目標(biāo)應(yīng)用 - 能源基礎(chǔ)設(shè)施、工廠自動化

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          EliteSiC, 全碳化硅功率集成模塊, 900V/1200V:

          ■ 可用配置:維也納,半橋,全橋

          ■ 低熱阻

          ■ 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

          ■ 在更高電壓下改善了 RDS(ON)

          ■ 更高效、更高功率密度

          ■ 靈活的高可靠性熱接口解決方案

          如何選擇柵極驅(qū)動器

          電流驅(qū)動能力:開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)際上是輸入輸出電容器的充放電過程。更高的灌電流和拉電流能力意味著更快的導(dǎo)通和關(guān)斷速度,最終帶來更小的開關(guān)損耗。

          故障檢測:柵極驅(qū)動器不僅用于驅(qū)動開關(guān),還能保護(hù)開關(guān)甚至整個(gè)系統(tǒng)。例如,欠壓鎖定(UVLO)可確保柵極驅(qū)動器的電源處于良好狀態(tài),去飽和(DESAT)用于檢測短路,有源米勒箝位可防止在快速開關(guān)系統(tǒng)中出現(xiàn)誤導(dǎo)通。

          抗擾性:共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)是指柵極驅(qū)動器輸入和輸出電路之間共模電壓上升或下降的最大容許速率,它決定了該產(chǎn)品是否可用于快速開關(guān)系統(tǒng)。大功率系統(tǒng)以非常快的變化率運(yùn)行,例如大于 100 V/ns 時(shí)會產(chǎn)生非常大的電壓瞬變。隔離柵極驅(qū)動器需要能夠承受高于額定電平的 CMTI,以防止低壓電路側(cè)產(chǎn)生噪聲,并防止隔離勢壘失效。

          傳播延遲:傳播延遲是指從輸入 10%到輸出 90%的時(shí)間延遲(供應(yīng)商之間可能有所不同)。這種延遲會影響器件之間的開關(guān)時(shí)序,這在高頻應(yīng)用中至關(guān)重要。設(shè)置死區(qū)時(shí)間可以避免擊穿乃至進(jìn)一步損壞,死區(qū)時(shí)間設(shè)置得越少,開關(guān)損耗就會越小。

          兼容性:在新項(xiàng)目中,如果沒有重大設(shè)計(jì)變更,引腳對引腳的替換總是首選。選擇規(guī)格和封裝相似的柵極驅(qū)動器有利于快速設(shè)計(jì)。

          當(dāng)然,并非每一點(diǎn)都需要遵循。例如,與 IGBT 不同, 碳化硅 MOSFET 的輸出特性更像可變電阻,沒有飽和區(qū),這意味著普通的去飽和檢測原理行不通。作為解決方案之一,通常使用電流傳感器來檢測過流,或使用溫度傳感器來檢測異常溫度。

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          碳化硅(SiC) 隔離柵極驅(qū)動器NCP51561:

          ■ 4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

          ■ 36 ns 傳播延遲, 8 ns 最大延遲匹配

          ■ 5 kV 電隔離, CMTI≥200 V/ns

          ■ 雙通道設(shè)計(jì)

          ■ 8 毫米爬電距離的 SOIC-16WB 封裝

          隔離型大電流柵極驅(qū)動器NCD57080:

          ■ 高電流峰值輸出(6.5 A/6.5 A)

          ■ 欠壓鎖定(UVLO) , 有源米勒箝位

          ■ 3.5 kV 電隔離, CMTI≥100 V/ns

          ■ 典型 60 ns 傳播延遲

          ■ 單通道設(shè)計(jì)

          ■ 8 毫米爬電距離的 SOIC-8WB 封裝

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          常用 AC-DC 功率因數(shù)校正(PFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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          有源前端:

          ■ 無橋接導(dǎo)通損耗

          ■ 電路簡單,易于控制,元件少

          ■ 開關(guān)需要耐受全母線電壓和尖峰電壓

          ■ 寬禁帶(WBG)元件更受青睞,以降低總諧波失真(THD)

          ■ 減小電感器尺寸

          ■ 允許雙向轉(zhuǎn)換

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          維也納整流器和 T-NPC:

          ■ 三電平配置降低了總諧波失真(THD)和開關(guān)上的電壓應(yīng)力

          ■ 易于控制,每相只需一個(gè)驅(qū)動信號即可驅(qū)動背靠背開關(guān)

          ■ 開關(guān)的母線電壓減半

          ■ 橋接引起的導(dǎo)通損耗

          ■ 通過全開關(guān)替換實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換

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          交錯(cuò)并聯(lián) Boost 電路,單相:

          ■ 減小電感器尺寸、電流應(yīng)力和 EMI

          ■ 易于控制,電路簡單, 雙倍/三倍元件

          ■ 易于提高輸出功率

          ■ 橋接引起的導(dǎo)通損耗 .

          ■ 僅單向運(yùn)行

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          圖騰柱 PFC,單相:

          ■ 提高效率、 減少電磁干擾(EMI)、 降低總諧波失真(THD),減少每個(gè)導(dǎo)通周期的開關(guān)數(shù)量

          ■ 開關(guān)數(shù)量少,功率密度高 

          ■ 需要寬禁帶元件以減少恢復(fù)損耗

          ■ 零交越點(diǎn)噪聲、共模噪聲

          ■ 支持雙向轉(zhuǎn)換

          DC-DC 轉(zhuǎn)換的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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          LLC 諧振轉(zhuǎn)換器:

          ■ 頻率調(diào)制, 諧振轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)以提高效率

          ■ 初級側(cè)零電壓開關(guān)(ZVS) , 次級側(cè)零電流開關(guān)(ZCS)

          ■ 集成電感器以節(jié)省空間

          ■ 復(fù)雜的諧振腔設(shè)計(jì)與控制

          ■ 良好的 EMI 和輸出紋波

          ■ 需要額外的 DC-DC 轉(zhuǎn)換以達(dá)到寬輸出范圍,以確保高效

          ■ 在高頻/高電壓操作中,首選寬禁帶元件。

          ■ 僅單向運(yùn)行

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          雙有源橋變換器:

          ■ 運(yùn)行相移調(diào)制以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載下的零電壓開關(guān)(ZVS)

          ■ 兩級電流不匹配導(dǎo)致的意外損耗

          ■ 相移、變壓器、頻率等方面的復(fù)雜設(shè)計(jì)以達(dá)到預(yù)期效率

          ■ 在高頻/高壓運(yùn)行中,首選寬禁帶元件

          ■ 在大功率情況下減少輸出電流紋波以減小輸出電容器尺寸

          ■ 隔離轉(zhuǎn)換以確保安全

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          CLLC 諧振變換器:

          ■ 在 LLC 的基礎(chǔ)上增加一個(gè)電容器以實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換

          ■ 復(fù)雜的調(diào)頻和無源元件選擇,以實(shí)現(xiàn)雙向高效率 .

          ■ 需要額外的 DC-DC 轉(zhuǎn)換以在確保高效的情況下達(dá)到寬輸出范圍

          ■ 全負(fù)載范圍內(nèi)效率優(yōu)于雙有源橋(DAB)變換器

          ■ 隔離轉(zhuǎn)換以確保安全

          電動汽車直流充電樁設(shè)計(jì)的系統(tǒng)目標(biāo)、市場信息與展望、系統(tǒng)描述,請戳第一篇"爆火的電動汽車直流充電樁設(shè)計(jì)指南,就在這里了"查看。



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