全面解析快速电动汽车充电技术

简短的电动汽车部署展望

电动汽车、电动动力总成和车辆电气化技术已经存在多年。事实上，第一个电动汽车（EV）出现在晚19日世纪。

然而，在近年来一直在这个替代燃料技术的兴趣重生，尤其是对20月底日世纪。由于希望减少对气候的影响，该行业正在经历从内燃机 (ICE) 车辆的转变。

基于 ICE 的车辆使用石油，这是一种日益稀缺的资源，严重污染环境，是气候变化的主要因素。

直到最近三到五年，我们还没有看到电动汽车生态系统的持续扩散，并没有随着法规的出台、基础设施的部署和插电式混合动力汽车的扩大而采取具体行动来推广它(PHEV) 和纯电动汽车 (BEV) 车型，最终提高了电动汽车进入广阔市场的可及性。

近期加速发展的最重要驱动因素之一是对全球汽车制造商实施的排放监管政策。在欧洲，自去年（2020 年）开始实施的更严格措施可能会对不遵守这些措施的汽车制造商的底线[1]产生严重影响。这些规定将在未来几年逐渐变得更加严格。难怪汽车制造商正在迅速行动并增加他们的 BEV 车型托盘，实际预测到 2025 年将有 300 款车型上路[2][3]。

在消费者端，政府在过去几年中一直通过为 xEV 车主提供不同性质的好处来支持向替代燃料汽车的过渡。从免税到免费停车和充电服务，再到高占用车辆 (HOV) 车道。

图 2.每个生产日期推出的 BEV 市场。

资料来源：麦肯锡/IHS Automotive（2019 年 7 月）

此外，如果我们回顾最近的过去和现在，COVID-19 一直是并将继续是孵化幕后趋势的加速器，例如机器人化、5G 和连接性，当然还有电动汽车。 .特别是，优先考虑新技术和创新的多年投资计划——无论是在公共领域还是私人领域。这些力量正在刺激电动汽车和插电式混合动力汽车的销售增长，尤其是现在在欧洲。中国一直是采用、市场增长和产品的开拓者，但最近几个月，欧洲在销量上赶上了中国，达到了 140 万台，同比增长 137%。中国和美国的数字分别徘徊在134万和33万左右。[4][5][6]

图 3. 2020-2024 年预计的 xEV 单位销量。2020 年在 COVID-19 影响之前发布的报告。资料来源：IHS，Omdia，2020 年。

快速电动汽车充电基础设施：需求强劲增长

除了促进采用 xEV 的直接激励措施和措施外，整体环境还有其他变化正在加强向电动汽车的过渡。从历史上看，一直存在阻碍向新车型发展的潜在障碍，最突出的障碍是：里程焦虑、xEV 汽车的价格（属于“优质”ICE 类别价格范围）以及最后，充电时间与为传统车辆的油箱加油相比（一个简单、众所周知的概念和快速过程）。好吧，正在通过增加电池容量和提高车辆千瓦时/公里比率来解决里程焦虑。近年来，BEV 的价格正在稳步下降，并且越来越接近更广泛的大众市场类别，

剩下的最后一个障碍是充电时间，其中慢速（有效功率最高可达 22kW）和快速系统（22-400kW 和以上目标）共存。特别是慢速充电系统已经在家庭、公共停车场和工作场所停车场相对广泛使用（图 4）。不同的是，快速充电系统大多在公共场所、商业区域或充电站中可用，因为它们需要专用的电气基础设施，这意味着大量投资。在慢速充电的最高额定功率下，系统可以在约 50-60 分钟内提供 100 公里的额外续航里程，但即使是这些也无法轻松部署在家庭中。在较低的功率端，当使用直接连接到标准插座的专用电缆时，家庭和私人可以达到 1.4 –3.7kW 的速率（取决于地区和适用的法规，可能会更大功率），但需要大约 5 小时（在3.7kW) 以增加 100 公里的续航里程。相反，快速充电系统可以在不到十分钟的时间内提供这个范围。对于很大一部分驱动程序和用例，慢速充电可能是一个可行的解决方案，但显然，并非适用于所有人或所有情况。

图 4. 2019 年（IEA2020）按国家/地区划分的私人和公共可访问充电器

因此，有效且可持续地向电动汽车过渡将需要部署快速充电基础设施，以跟上道路上纯电动汽车的增长步伐。不仅在数量上，而且在额定功率方面。功率越高，充电时间越短，这是一个重要因素，因为电池容量不断增加，技术也在不断改进，从而实现更高的峰值功率（更快的充电速率）。难怪快速充电器的增长预测预测 2020 年至 2027 年的销量复合年增长率为 31.8%，同期市场规模的复合年增长率为 39.8%。[9]图4描绘了2019年全球慢速和快速充电器的分布情况。

交流或直流充电：模糊线条

在电动汽车的背景下，用于充电的电缆和连接器通常被称为“充电器”。带有专用硬件设备（通常称为“壁箱”）的交流 (AC) 插座用作连接充电线和为车辆充电的接口被称为“充电器”，它可能与“充电器”混淆我们考虑发生功率转换的实际设备，那么上面讨论的元素不是充电器。

交流充电和直流（直流）充电是简单的概念，由于上述原因可能会变得模糊。本质上，区别在于将电力传输到车辆充电端口（而不是电池）的方式。在交流充电模式下，来自电网的交流电通过交流电源插座或充电站输送到汽车中。汽车将通过车载充电器 (OBC)管理 AC/DC 电源转换) – 这里正确命名充电器，因为有电源转换 – 并向电池提供直流电压和电流。另一方面，在 DC 充电模式下，AC-DC 转换是通过车外充电器在车外进行的——我们再次谈论充电器。图 5 说明了电动汽车的不同充电方案。直流充电额定功率范围很广，因为车辆外部的空间、重量和热限制要宽松得多。因此，直流充电可能从甚至低于 11kW 到高达 400kW。当然，落在这些范围内的用例可能会有很大不同。另一点值得注意的是，并非所有车辆都接受高直流功率水平的充电。现在大多数发布的车辆通常可以在直流模式下支持至少 50kW 的速率。

图 5. 交流充电和直流充电概念图。

资料来源：Yolé 开发部

由于其功率限制（通常最高端为 22 kW）和充电所需的最短时间，交流充电通常被称为“慢速充电”。交流较高功率范围（11 – 22 kW）有时可能被称为“高功率交流充电”或“快速交流充电”，但没有实际定义。另一方面，那些额定功率为 22kW 甚至高达 400kW 的直流充电器被认为是“快速”的。术语“超快”也用于 50kW 以上的功率，但没有实际明确的界限或定义。现在部署的最常见的直流功率范围为 22-150 千瓦，功率范围在 200-350 千瓦之间。快速和超快速直流充电器通常仅在可接入三相电源连接到电网的专用区域公开使用。充电站，到目前为止主要沿高速公路，可能会显示多个超快速充电器（> 150kWeach）。此类设施需要来自电网的专用高压变压器。

充电率和次数

为了获得当今启用的充电时间的概念，一个简单的计算可​​以让我们有很长的路要走。考虑到具有 60 kWh 电池（现在发布的 BEV 集成 30 到 120 kWh 之间的电池）[10]和 100kW 直流充电器的车辆，可以得出以下结论：

充电时间=电池容量（有效）*1[kWh]/平均充电功率[kW] 充满电的续航里程=电池容量（有效）*1[kWh]/效率[kWh/100km]60kWh/100kW=36分钟

60 kWh/(18kWh/100km*2) =~333 公里

*1出于本练习的目的，考虑了完整的电池容量。可能有些电动汽车可能会对全部“有效”容量造成限制。

*2通用值，将取决于每辆车的特性。通常会落在12-23kWh/100km之间

必须考虑到，并非所有道路上的车辆都能支持高达 100kW 的直流充电率，目前发布的车型之间的实际差异通常在 50 kW 以下和 250 kW 以上[11]。同样，以 kWh/100 km 比率衡量的车辆效率也存在显着差异。有可用的数据库[12]提供多种 BEV 的详细信息。此外，充电过程中的平均功率不等于汽车接受的峰值功率，因为​​随着电池充电状态 (SOC) 的升高，额定值需要设置上限。

无论如何，上面的例子很有启发性，并提供了一个与基于 ICE 的车辆进行比较的标准。以平均 100 kWh 的速度为我们的 EV 充电需要 36 分钟才能提供 333 公里的续航里程，或大约 10 分钟才能提供 100 公里。对于传统的基于 ICE 的车辆，相同的操作需要 3 到 5 次才能完全填充。有了这些数字，难怪市场正在迅速发展并推动更高功率的解决方案 [电动汽车供电设备 (EVSE) 侧和车辆侧]，允许充电功率超过 350 kW。

直流充电的标准和协议

为了规范和标准化交流和直流充电技术并促进支持电动汽车的兼容 EVSE 生态系统的发展，已经制定了若干标准和 IEC 规范。这些尽可能全球化的框架可以帮助协会和行业开发协议和 EVSE。然而，这绝不是一个微不足道的话题，因为来自不同组织的多个标准和实现在世界范围内共存。

采用自上而下的方法并命名一些基本标准（以及发行组织总部的位置），它涉及：

1. IEC-68151（瑞士）
2. IEC-62196（瑞士）
3. IEC61980（瑞士）
4. ISO1740 9:2020（瑞士）
5. SAEJ1772（美国）
6. GB/T18487（中国）
7. GB/T20234（中国）
8. GB/T27930（中国）

如果我们研究从这些标准中汲取的实际充电协议和生态系统，我们会发现直流充电的三个全球扩展实施方案：CHAdeMO（“charge de move”的缩写）、组合充电系统 (CCS) 和特斯拉增压器。在中国，唯一标准和实施的协议是GB/T，也是该地区独有的。下一节将讨论这些协议和标准的一些特殊性。

直流充电有哪些重要标准？

IEC 61851。国际电工委员会 (IEC) 制定了上一节中列出的几个标准。该IEC61851是指“电动汽车用传导充电系统”，是中央件的IEC系列EV充电，着眼于电动车辆传导充电系统的不同的主题，包括AC和DC分别充电到1000V和1500V[13]。该标准定义了四种不同的充电“模式”，其中前三种“模式”（1 到 3）指的是交流充电，而“模式”4 则是指直流充电。该IEC62196定义“插头，插座-插座，车辆连接器和车辆入口和IEC61980地址'EV 无线电力传输 (WPT) 系统。在ISO17409：2020是纯电动汽车的基础标准由国际标准化组织（ISO）和补充专门的IEC61851如上所述。该文档针对IEC61851-1 中定义的充电“模式”2、3、4 的“电动道路车辆 — 传导功率传输 — 安全要求”。

在北美，管理标准是 SAEJ1772（涵盖交流和直流充电）。本文档规定了在 1000 V 下提供高达 400 kW 的直流充电。 与 IEC-61851 中的充电“模式”不同，SAEJ1772 建立了充电“级别”并定义了以下内容：“交流级别 1”、“交流级别 2” 、“DC 1 级”和“DC 2 级”（2017 年修订版）。这里要说明的一个重要问题是，“3 级”充电仍然是一个未定义的术语，广泛（且具有误导性）用于指代直流充电。已经有针对“AC Level3”的实际项目（尽管从未完全开发）并且已经讨论过“DC Level 3”。无论如何，这些是不同的概念，不能用作直流充电的同义词。此外，来自不同地区和组织的标准可以相互交织。SAEJ1772 首先定义了用于交流充电的“SAEJ1772”连接器类型（命名为“SAEJ1772 连接器”），主要用于北美。IEC-62196 后来采用了相同的连接器，并将其标识为 IEC-62196 Type1，与用于欧洲交流充电的 IEC-62196 Type 2 连接器形成对比。由于 IEC 连接器（1 类和 2 类）使用相同的 SAEJ1772 信号协议，汽车制造商根据市场销售带有 SAEJ1772−2009 或 IEC 2 类入口的汽车。

直流充电协议

如上一节所述，全球扩展了三种主要的收费协议。

CHAdeMO– 该协会于 2010 年在日本成立，负责开发同名的电动汽车充电协议。这些协议和组织得到日本主要汽车制造商和其他行业利益相关者的支持和推动。日产、三菱、丰田、日立、本田和松下仅举几例，其中也包括一些欧洲企业。这些协议借鉴了所讨论的 IEC6185-1、-23、-24和IEC62196标准，并定义和使用了专用连接器（图7）。协议范围从 CHAdeMO0.9 到 CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分别支持200kW/500V和400kW/1000V。CHAdeMO 现在的目标是与中国电力企业联合会 (CEC) 合作开发 900 kW 充电器，以制定称为“超极”的超高功率充电标准[14]。该合作还努力成为超快速充电器的第一个全球协议[15]。2020 年 5 月，CHAdeMO 报告称，全球安装了 32,000 个快速充电器[16]，其中 14,400 个安装在欧洲。

图 7. 快速直流充电器连接器类型。特斯拉在北美和其他地区使用专有连接器。在欧洲和其他部署了 CCS 和 CHAdeMO 网络的地区，特斯拉正在适应这些系统。来源：Enel X

联合充电系统 (CCS)

另一种快速直流充电协议和系统最初主要由欧美汽车制造商、EVSE 基础设施制造商和其他行业相关参与者开发和认可。亚洲制造商也加入了该集团。这些组织中的大多数正式组织为 CharIN 协会，负责协议的开发和推广。CCS 系统符合适用的 IEC、SAE 和 ISO 标准，并支持交流充电（单相和三相）和直流充电，提供超过 200 kW 的直流充电能力，其中 350 kW 正在准备中[17 ].在撰写本文时，CharIN 网站列出了已部署的超过 33,800 个直流电的充电点总数，分布在以下功率范围内：6% 低于 50kW、58% 50kW、29% 150kW 和 7% 250kW。CSS 为直流充电指定了两个连接器，Combo 1 和 Combo（图 8），它们建立在原始交流充电对应物（Type1 和 Type2）的基础上，为直流电流添加了一个双针插座。以这种方式，车辆（每个区域）上的独特插座类型允许直流充电和交流充电。大多数 CharIN 欧洲成员以 IONITY 的名义成立合资企业，努力开发和部署欧洲范围内的快速充电站网络。

快速直流充电用例和配置

在前面的部分中，我们讨论并了解了快速直流充电：

它是什么，不是什么。

功率和电压水平以及充电时间。

现有标准和协议。

在本节中，讨论将让我们更深入地了解该技术，并展示 a) 部署实际直流充电器的配置和 b) 展示已成为 e- 基石的“引擎盖下”关键电力电子设备流动性。不出所料，快速直流电动汽车充电是继电动汽车本身之后电力电子领域创新的推动力之一，也是碳化硅 (SiC) 等新型电力技术采用速度最快的市场之一。

直流充电器的基础设施配置

DC EVSE 部署的第一个也是最常见的用例包括端到端系统，从电网到 EV 的电池（图 9）。这种用例现在在充电站中都可以找到，显示几个这样的转换器，也可以在独立的单个充电点中找到。具有多个快速或超快速充电器的充电站需要高达 1MW（及以上）的高压电网隔离变压器，以便可靠、不间断地输送电力。

在内部，这些充电器由前端的 AC-DC 三相有源整流级组成，该级执行功率因数校正 (PFC) 并提高 DC 链路电压水平。随后，隔离式 DC-DC 转换级根据 EV 中的电池需求调整输出电压和电流。

图 9 显示了系统模块。为了最大限度地提高效率和尺寸，越来越需要更高电压的系统。这既适用于中间总线电压（PFC 和 DC-DC 转换器之间），也适用于输出电压，因为 800V 及以上的 EV 电池变得司空见惯。

此类高功率和高电压应用受益于SiC 模块技术的优势，该技术具有更高的击穿电压、更低的 RDSON 和动态损耗以及卓越的热性能。损耗的降低、增加开关频率的可能性和增强的散热使得系统尺寸的减小成为可能，同时无源元件缩小并降低了冷却要求。这组独特的属性使SiC 模块技术高效、功率密集和紧凑的快速直流充电解决方案的关键推动因素，可以方便地部署和大规模扩展。在这种情况下，快速直流充电器的内部模块化也值得注意，因为大多数系统具有每个 15 – 75 kW 之间的堆叠子单元（图 9），这使得系统更加灵活和稳健，并简化了生产。

图 9. 快速直流电动汽车充电器架构图（左）。具有堆叠多个功率级的高功率 DC EV 充电器（右）。

第二种 EVSE 部署配置将随着电动汽车进一步渗透市场并抢占交通蛋糕的重要部分而获得相关性，其中包括能量存储系统 (ESS) 的集成。该用例还可能涉及可再生分布式能源 (DER) 的整合，主要是太阳能。这种类型的基础设施将成为维持电动交通环境的关键支柱，充电站将成为消费的焦点并需要高峰值功率。例如，额定功率为 100kW 的 5 次充电会产生半兆瓦的峰值功率。仅靠电网几乎不可能在多个充电站中维持如此高的峰值功率，而这些充电站将在全港蓬勃发展。为了能够在一天中可靠地提供能量，能源将来自电网，并在低谷时段传输到高压 ESS。此外，太阳能将支持储存的能量池，以帮助维持能量水平[20]。

图 10. 将储能和太阳能集成到电动汽车充电站的可能框图

这种配置将增加对不同架构的直流充电器的需求，其中整流 PFC 级和 DC-DC 级是独立的单元。图 10 显示了此类安装的示例。在前端，三相 PFC 升压级 (AC-DC) 将电力从电网输送到 DC BUS。在后端，由太阳能 PV 产生的这个 SC-DC 双向转换器提供的能量被馈入 EV 充电器（DC-DC 转换器）或保存在 ESS 中。连接到车辆的降压 DC-DC 转换器会将其输出电压调整为 400V-1000V 的电池兼容电压水平。

快速直流充电器中使用的常见拓扑结构和功率器件有哪些？

上一节介绍了快速 DCEV 充电基础设施的标准配置，以及未来可能出现的另一种典型基础设施。下面概述了当今快速 DCEV 充电器中使用的 AC-DC 和 DC-DC 的典型功率转换器拓扑和功率器件。

有源整流三相 PFC 升压拓扑

前端三相 PFC 升压级可以在多种拓扑结构中实现，并且多个拓扑结构可能满足相同的电气要求。“揭开三相 PFC 拓扑的神秘面纱”中介绍了对每种拓扑的优缺点和操作的详细概述和讨论。图 11 说明了快速直流电动汽车充电应用中的常见 PFC 架构。它们之间的第一个区别之一是双向性。T-中性点钳位 (T-NPC) 和 I-NPC 拓扑适用于双向操作，通过用开关替换一些二极管。6 交换机架构是一个双向本身。

图 11. 用于快速直流电动汽车充电的典型三相功率因数校正 (PFC) 升压拓扑。

T-NPC（左上）、6-switch（右上）和 I-NPC（下）

影响功率器件设计和额定电压的另一个重要因素是架构中的层级数。6 开关拓扑是一种 2 级架构，通常使用 900 V 或 1200 V 开关实现，用于快速直流电动汽车充电器。在这里，碳化硅 MOSFET -具有低 RDS on (6-40mQ) 面积的模块是首选解决方案，尤其是对于每块 15 kW 以上的更高功率范围。此类集成表现出比分立解决方案更出色的电源性能，可提高效率、简化设计、减小整体系统尺寸并最大限度地提高可靠性。T-中性点钳位 (T-NPC) 是使用1200 V 整流器的 3 电平拓扑（替换为双向格式的开关），在中性路径上使用 650 V 开关背对背。I-NPC 是一个 3 级架构，可以用 650 V 开关完全实现。带有co-pack 二极管的650 V SiC MOSFET或 IGBT代表了这些 3 电平拓扑的出色替代解决方案。

图 12. F1-2 PACK SiC MOSFET 模块半桥。1200V,10mQ

DC-DC拓扑

在研究 DC-DC 转换级时，采用了三种主要的隔离拓扑：全桥 LLC 谐振转换器、全桥相移双有源桥 (DAB) 零电压转换 (ZVT) 转换器和全桥相位−shift ZVT 转换器（图 13、14 和 15）。

全桥 LLC 谐振

LLC 转换器在初级侧实现零电压开关 (ZVS)，还在 - 谐振频率和以下 - 次级侧实现零电流开关 (ZCS)，从而在谐振频率附近实现非常高的峰值效率。作为纯调频 (FM) 系统，当系统工作点偏离谐振频率时，LLC 效率会降低，这可能是需要宽输出电压工作的情况。然而，先进的混合调制方案使当今的脉冲调制 (PWM) 与 FM 相结合，限制了最大频率失控和高损耗。尽管如此，这些混合实现增加了有时已经很麻烦的 LLC 控制算法的复杂性。此外，并行 LLCs 转换器的电流共享和同步并非易事。一般来说，当可能在相对较窄的电压范围内运行时，和/或当具备实现结合 FM 和 PWM 的高级控制策略的开发技能时，LLC 是一种难以超越的设计。它不仅可以提供最高的效率，而且从各个角度来看都是一个非常全面的解决方案。LLC 可以以双向格式实现为 CLLC，这是另一种复杂的拓扑。

图 13. 全桥 LLC 转换器

具有次级同步整流拓扑的移相全桥 DAB 也是非常典型的。它们使用 PWM 工作，通常需要比 LLC 转换器更简单的控制。DAB 可以被认为是传统全桥移相 ZVT 转换器的演变，但在初级侧带有漏电感，这简化了繁琐的次级侧整流并降低了次级开关或二极管上必要的击穿电压额定值。通过实现 ZVT，这些转换器可以在很宽的输出电压范围内提供稳定的高效率。对于支持 800 V 和 400 V 电池电压水平的充电器来说，这是一个方便的因素。DAB 的 PWM 操作带来了好处。首先，与 FM 系统相比，它倾向于保持转换器的电磁干扰 (EMI) 频谱更紧密。此外，系统在低负载下的行为更容易通过固定的开关频率解决。DAB 采用同步整流实现，是一种双向原生拓扑，是最通用的替代方案之一，也是适用于快速 EV 充电器的合适解决方案。

图 14. 全桥相移 DAB ZVT 转换器

对于单向操作，传统的全桥相移 ZVT（图 15）仍然是一种使用选项，但渗透率逐渐降低。这种拓扑的工作方式与 DAB 类似，但位于次级侧的电感器在整流行为方面引入了显着差异。电感器在二极管上设置高反向电压，该电压与占空比成正比或成反比，因此，根据工作条件，二极管上的反向电压可能会超过输出电压的两到三倍。在高输出电压系统（如 EV 充电器）中解决这种情况可能具有挑战性，并且通常多个次级绕组（具有较低的输出电压）串联连接。这样的配置不是那么方便，

SiC - 模块代表了上述 DC-DC 功率转换级中全桥的非常合适和通用的解决方案，从 15kW 开始。启用的更高频率有助于缩小变压器和电感器尺寸，从而缩小完整的解决方案外形尺寸。

图 15. 全桥相移 ZVT 转换器

拓扑变化

所讨论的拓扑存在多种变体，带来了额外的优势和折衷。图 16 显示了用于快速 EV 充电的全桥 LLC 转换器的常见替代方案。在相移中，开关低于输入电压的一半，使用 600V 和 650V 击穿电压器件。650V SiCMOSFET、650V SuperFET 3 快速恢复 (FR) MOSFET和650V FS4 IGBT将有助于满足不同的系统要求。同样，初级侧的二极管和整流器需要 650V 的阻断电压额定值。这些 3 电平架构允许单极开关，这有助于减少峰值电流和电流纹波，从而使变压器更小。与具有较少电源开关的 2 级版本相比，此拓扑的主要缺点之一是控制算法所需的额外复杂性级别。双有源桥以及 可以轻松地在初级侧和次级侧并联或堆叠，以最适合快速电动汽车充电器的电流和电压需求。

图 16. 3 级全桥 LLC。

这种变化堆叠在初级侧（只有一半的输入电压施加到每个变压器）并在次级侧并联。

二次侧整流

关于次级整流阶段，可以使用多种解决方案，如图 15 所示，并且所有解决方案都可以用于不同的拓扑结构。对于 400 V 和 800 V 电池电平和全桥整流，650V 和 1200V 碳化硅肖特基二极管通常会带来独特的性能成本比解决方案。由于它们的零反向恢复特性，与硅基替代品相比，这些器件显着提高了整流性能和效率，大大降低了损耗和整流级的复杂性。Hyperfast、UltraFast 和 Stealth 等硅基二极管可以作为成本非常有限的项目的替代方案，但会牺牲性能和复杂性。带有中心抽头整流的解决方案（图 15）不适用于高压输出整流级。与全桥整流不同，在全桥整流中，二极管的标准反向电压等于输出电压，在中心抽头配置中，二极管可承受该值的两倍。常规全桥移相转换器（次级侧电感），如前所述，在两种整流方法（全桥或中心抽头整流）中都需要更高的击穿电压二极管。为了克服传统全桥移相转换器中对 1200 V 或 1700 V 额定二极管的需求，多个输出将串联连接。

其他重要的设计注意事项

除了电源转换器中的拓扑和开关器件之外，在开发快速 EV 充电器时，还有其他重要的方面需要考虑，尤其是在使用高频工作的SiC 开关时。

栅极驱动系统：

在所有拓扑中，驱动系统仍然是快速直流电动汽车充电器的一个关键方面，对系统性能有直接影响。

隔离：

孤立地处理该主题下的首要考虑因素之一。鉴于针对快速直流电动汽车充电器讨论的高功率和电压，高侧驱动器必须进行电流隔离。对于低边对应物，虽然在安全方面并不总是绝对必要的，但通常的做法是使用相同的栅极驱动器系统和电路如在高端。这种方法为解决方案实施和系统健壮性带来了多重好处。一方面，它有利于同一半桥上的开关设备之间的延迟匹配。这简化了 PWM 序列和死区时间的控制和实现，以防止直通事件。此外，隔离驱动器通过最大化其共模瞬态抗扰度 (CMTI) 来增强系统的耐用性，这在使用高 dV/dt 驱动的快速切换宽带隙技术（如SiC）的系统中尤为重要.此处还要说明的重要一点是，采用 Kelvin 连接的电源开关将需要浮动或电流隔离驱动器（在高端和低端）才能获得配置的好处，因为它将显着降低损耗和提高传播次数。

片上保护和特性：

栅极驱动器的另一个关键考虑因素是功能（超越电流隔离）和片上保护的集成。根据系统要求和开关类型，可能需要过流保护 ('DESAT')（IGBT和SiC MOSFET 的典型特征）、米勒钳位（避免误导通）等保护措施。在封装内包含这些或其他必要功能可实现紧凑的系统并最大限度地减少布局中的寄生电感，这是采用SiC 的高开关频率系统的基本要求.内置保护在数字控制系统中也非常方便，可提供机载保护。关于系统效率，栅极驱动器的灌电流和拉电流能力对于通过对寄生栅极电容进行快速充电和放电来实现快速开关转换至关重要。当使用SiC 技术时，这在高功率应用中特别重要，因为与基于 Si 的IGBT或SJ MOSFET相比，这可以实现更快的转换。

具有 3.5kV 和 5kV 额定值的电隔离栅极驱动器系列NCD57XXX 和 NCD51XXX为快速电动汽车充电器的开发带来了设计灵活性和系统可靠性，集成了多种功能和片内保护，并具有高达 9A 的高驱动电流能力。该产品组合包括NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7 等单通道驱动器和NCP51561、NCP51563和NCD57252/256等双通道驱动器，以适应所有用例。

图 17. 电流隔离单通道和双通道栅极驱动器框图

驱动器供应：

与栅极驱动器相邻的一个主题是驱动它们所需的隔离电源。+20V-5V 偏置电压可实现SiC 开关的最佳性能，而 IGBT 通常需要 +15V/0V 或-15V。有关更多详细信息，请参见“Gen11200VSiCMOSFET 和模块：特性和驱动建议”。同样，对于栅极驱动器，电源需要紧凑和坚固，以确保在所有工作条件下稳定的电压轨。LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC等NCV3064开关稳压器周围的电源有助于满足这些需求。

保护：

电动汽车快速直流充电的另一个重要考虑因素是系统中必要的安全保护，尤其是法规强制要求的安全保护。强制保护是针对车外接地故障电流 (GFC)，以防止对人体造成危险电击的风险。特别是，充电电路中断装置 (CCID) 是专门为 EVCharging 开发的，IEC61851-1（前面讨论过）和 UL 2231-1/2 标准分别规范了其在欧洲/亚洲和北美的实施。该FAN4147和NCS37014GFC灭弧解决这些法规的要求，并提供了一个现成的，现成的解决方案，以开发符合安全EVSE。

辅助电源：

辅助电源装置 (PSU) 在电力系统中无处不在，快速直流 EVCharging也不例外。隔离式反激拓扑是提供低压系统所需的典型 10-40W 功率的方便可靠的选择。特别是对于快速直流电动汽车充电，直流母线的电压水平是影响整个系统的主要因素之一。趋势是增加这些水平，以减少给定功率水平的峰值电流并提高效率。如今，高达 800 V（并不断增加）的直流总线电压水平很常见，并非所有传统解决方案都适用于 EV 充电。在这里，围绕NCP1362准谐振谷底开关初级侧或NCP1252开发的 PSU和NCP12700二次侧控制器可以帮助满足这些需求。在开关方面，具有高 RDS on (160mOhms) 的 1200V SiC MOSFET正在迅速被采用，因为它们具有出色的性能成本比和900 VDC 系统的最佳解决方案。

一切都归于平静

在本博客的第一部分中，我们已经看到了电动汽车市场的增长是如何加速的，以及为什么 随着越来越多的电动汽车上路，快速直流充电需要（并将）保持牵引力。

在过去几个月的大部分时间里，指向这个方向的新闻如雨后春笋般涌现，其中最后一个是美国总统宣布到 2030 年 500.000 个直流充电器网络计划［21］。最终目标是推动电动汽车成为主流，摆脱基于 ICE 的交通方式并应对气候变化。

快速和超快速直流充电器 是电动汽车的重要组成部分，也是完善生态系统不可或缺的元素，提供低功率交流充电替代方案，可在允许较长时间充电的家庭中使用。作为一个新兴且快速发展的市场，快速直流电动汽车充电器的需求和用例不断升级，留下了需要各种解决方案和不同优化的空间。然而，所有这些的共同点将是增加更高的功率、电压水平和效率。

此外，随着此类基础设施的大规模推出，预计对尺寸、重量、成本和可靠性的限制会更强，竞争格局将变得更加严峻，并且安装的投资回报率将最大化。

就拿现在的事实是 SiC功率技术 正在成熟并且其价格正在达到具有吸引力的水平，这为先进的 SiC 功率集成模块技术留下了蓬勃发展的空间。更高的效率和卓越的热性能，使充电系统更轻、更小且成本优化，可提供高达 400kW 的功率。

除了SiC 技术和电源模块的固有优势之外 ，充电器的可靠性仍然是有效和广泛部署电动汽车的基石。安森美半导体不仅是SiC 技术 和功率集成模块的领先者 ，而且在质量上也有所不同。

成为为数不多的具有完整SiC供应链集成的供应商之一， 安森美半导体确保我们SiC 分立 和模块 产品的最高质量和可靠性标准，以及卓越的运营和灵活性。

编辑：hfy