隨著電動(dòng)汽車（EV）數(shù)量的增加，全球范圍內(nèi)對(duì)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(lái)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(dòng)汽車相比，新型電動(dòng)汽車具有更高的行駛里程和更大的電池容量，因此需要開(kāi)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(jí)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(dòng)汽車充入足夠的電量，并使其行駛約 250 公里。設(shè)計(jì)一個(gè)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(jí)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(duì)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(gè)小時(shí)內(nèi)為電池充電。第二條路徑是使用單獨(dú)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(guò) 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(jì)成高功率電平，從而實(shí)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(jí)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(huì)相應(yīng)減少，從而實(shí)現(xiàn)了功率密度的增加。
過(guò)渡到更高的直流電壓也使高質(zhì)量增強(qiáng)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(dòng)器，可提供高達(dá) 5.7 kVrms 的增強(qiáng)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(shì)。
圖 2：SiC 在增加充電站功率密度方面的優(yōu)勢(shì)
功率級(jí)中的 SiC 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）有助于通過(guò)向高達(dá) 1000 V/1500 V 的直流鏈路電壓移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率密度。使用多級(jí)拓?fù)湓O(shè)計(jì)高功率轉(zhuǎn)換器（尤其針對(duì) 10 kW 及以上的轉(zhuǎn)換器）非常重要，因?yàn)樗山档推骷系碾妷簯?yīng)力，并使總諧波失真保持在可接受的水平。
我們的“三級(jí)三相 SiC 交流 / 直流轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)”顯示了一個(gè) T 型三電平轉(zhuǎn)換器，其中 T 型臂中的開(kāi)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(dòng)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(duì)于車輛到電網(wǎng)的應(yīng)用非常重要。
開(kāi)關(guān)頻率直接影響磁性元件和其他無(wú)源元件的尺寸。當(dāng)在高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行時(shí)，電感器和變壓器的尺寸呈線性減小。在功率級(jí)中使用 SiC MOSFET 使得能夠在高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，從而提高功率密度。SiC 器件具有出色的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)特性，還可最大限度地降低總損耗，從而有助于實(shí)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(shí)時(shí)控制器可與 SiC MOSFET 完美配對(duì)，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(bǔ)償設(shè)計(jì)器等工具可輕松實(shí)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(shí)可幫助您克服電動(dòng)汽車快速充電的挑戰(zhàn)。三相三級(jí)參考設(shè)計(jì)以及“適用于 3 級(jí)電動(dòng)汽車的雙向雙有源電橋參考設(shè)計(jì)”均作為雙向轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，效率高于 97％，功率密度約為 1.4 kW/L（用于 AC/DC 級(jí)）和 1.9 kW/L（用于 DC/DC 級(jí)）。這些設(shè)計(jì)演示了如何使用我們的柵極驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)控制器和傳感技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的 SiC MOSFET，并測(cè)量電壓和電流。它們有助于應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)高效、高功率密度、快速電動(dòng)汽車充電站的挑戰(zhàn)。