25kW电动汽车直流快速充电桩：设计技巧、技术和经验总结

便捷高效的充电能力是所有纯电动汽车 (BEV) 成功的关键。充电的地方越多，充电的速度越快，大众就越有可能购买 BEV，而非燃油车。

但是，要让设计的电动汽车快速充电桩紧凑、高效且可靠，并非易事。除了实际的转换电路外，硬件保护技术也必不可少，需要设计人员对多种“假设”场景进行分析。方案包括使用由无源 RC 网络和阻断组件构成的缓冲器。

图 1：安森美 (onsemi) 基于 25kW SiC 模块的直流快充系统

过压和/或过流始终是个令人担忧的问题，需要对功率半导体加以保护，确保它们不会受损。一种做法是添加具有指定阈值和迟滞的电压比较器，它会在过压时阻断栅极驱动器。

过流问题更具挑战性，但安森美的NCD57000具有过流去饱和保护 (DESAT) 功能，可以解决这个问题，而且对 BOM 和产品成本几乎没有影响。

图 2：NDC57000 隔离型大电流和高效率 IGBT 栅极驱动器具有内部电气隔离功能。

诸如此类的硬件保护在测试和调试期间尤为重要，特别是在启动阶段，此时最有可能发生意想不到的开关操作。

NCD57000 用于功率因数校正 (PFC) 级，以保护 SiC 功率集成模块 (PIM)。测试方法用于评估 DESAT 动作电流阈值，这也是功能测试前必不可少的步骤。DC-Link电容用于提供所需的高峰值动作电流，它将脉冲注入栅极，导通模块，然后对动作进行 DESAT 保护，如图 3 所示。

图 3：DESAT 保护测试

这个测试可以将理论值与实际值进行比较，从而对设计做出调整。

NCD57000 也可以用于主双有源桥 (DAB) DCDC 转换器，依靠压降来监控电流水平。但这种方法容易受到器件特性的影响。虽然资料手册包含了一些信息，但几乎始终需要进行原型验证。

图 4：PFC 级（左），DAB 级（右）

还有一种方法是在原型设计之前执行仿真，以便更准确地设置参数。它允许以非破坏性的方式仿真并分析初级和次级短路效应，展示 DESAT 保护的增强功能，在输出电压范围高达 200-1000V 时，为 DCDC 级设计人员提供宽工作电压范围方案。

SiC 技术的一大优势是它能够在高频率下运行。但这也说明，快速的 dv/dt会对 25kW 快速充电桩的物理布局产生影响。因此，必须优化布局，尽可能降低寄生电感，特别是在电源走线中。此外，多个点需要通过缓冲电路来最大限度地减少过冲和振铃，防止造成损坏并产生 EMI 问题。

图 5：布局是电动汽车充电桩等 SiC 高功率设计的关键

系统级控制是另一个重要方面。25 kW 快速充电桩在 PFC 和 DAB 中具有多个闭环控制器，用于控制变压器有源磁通平衡和初级到次级相移等参数，从而控制输出电压和电流。这方面的挑战在于如何为每个环路选择增益，让整个系统不会变得不稳定。

由于测试需要高功率设备，设计人员通常会在工作台上构建一个环回装置，包括两个 PFC 级和一个 DAB 级，以便在受控条件下进行安全测试。环回测试也适用于大规模生产的老化测试阶段，用于回收被测设备的能量，从而节省大量制造成本，助力实现世界低碳排放的愿景。

安森美编制了一份技术白皮书，详细分析了为超快速电动汽车充电桩设计和调试 25 kW 直流快充模块时所面临的挑战。白皮书中包含了可以使用的实用方法建议，并列举了在此过程中学到的各种技巧和经验总结。