EV充电器中的宽带隙应用

与传统内燃机汽车相比，电动汽车 (EV) 对环境的影响更小，运营成本更低，因此是电动汽车成功的基本因素。在等待电动汽车充电网络达到类似于普通加油站的毛细血管时，电动汽车必须配备车载充电电路，以确保高效率和远距离。电池充电首先需要将电源从交流电（可在配电网络上获得）转换为直流电。用于执行这种能量转换的电路拓扑非常标准，包括半桥和全桥整流电路以及经典的“图腾柱”配置。

如何实现高效率

一个经典的 EV 充电器电路由一个电流整流级和一个 DC-DC 转换器级组成。整流电路由具有非线性特性的二极管组成，功率因数较低，谐波成分较多。只有通过精心设计 PFC（功率因数校正）电路才能实现高效率。为了提高功率因数和减少谐波失真，普遍采用基于有源功率因数校正（APFC）的解决方案。APFC 对于有源开关电路至关重要，该电路在其输入端接收整流电压并将其升压直至达到 DC 设定值，检查线路电流是否保持所需的正弦波形。原则上，我们可以说在理想的 PFC 电路中，输入电流“跟随”输入电压，就像一个纯电阻器一样，不会在输入电流中表现出谐波。在电动汽车充电器等大功率设备中，能够处理几千瓦的功率，有源 PFC 是使用升压转换器电路实现的。升压转换器（如图 1 所示）使输入电流在特定时间间隔内存储在电感中。随后，当开关 S 打开时，能量可以达到 C0 电容通过 D 二极管。电感就像一个与输入电流串联的电流源，因此输出电压总是高于输入电压：对于 220-240 V AC输入，输出超过 340 V（通常使用 380-400 V全世界）。此外，请注意 PFC 级如何始终跟随一个 DC-DC 转换器，该转换器具有与输入相关的输出隔离。

图 1：典型 PFC 升压转换器的框图

宽带隙器件

图 1 的电路可以通过用 MOSFET 替换二极管来进一步改进，每个二极管都充当升压开关和同步整流器。然而，高压 MOSFET 通常具有较差的体二极管反向恢复特性，因此，迄今为止，无桥图腾柱电路还不是很普遍。宽带隙器件（例如碳化硅和氮化镓）最近在市场上的可用性允许采用新电路来实现 EV 充电器。由于禁带比硅基元件大两到三倍，WBG 器件可以承受更高强度的电压和电场（电子从阻断区传递到传导区需要两到三倍的能量）。

因此，WBG（宽带隙）器件的击穿电压要高得多，而导通电阻要低得多。在电动汽车充电器等大功率电子电路中，高击穿电压可简化设计并提高效率。降低导通电阻值代表了高压电路的另一个优势，因为它可以减少开关和功率损耗，从而实现特别紧凑的占位面积。WBG 器件的另一个优点是它们能够产生比在相同条件下运行的硅基器件更低的温度。在用于高压应用的电路中，碳化硅组件甚至可以承受高于 200 °C 的结温，而硅组件可以承受高达 150 °C 左右的结温。

ADI 公司提供多种小型隔离式栅极驱动器，专为功率开关技术（如 SiC 和 GaN）所需的更高开关速度和系统尺寸限制而设计。这些隔离式栅极驱动器基于 ADI 经过验证的iCoupler隔离技术，并结合了高速 CMOS 和单片变压器技术。该ADuM4122该器件是一款隔离式双输出驱动器，可在输入和输出区域之间提供 5 kV RMS 真正的电流隔离。在需要开关器件栅极快速上升时间的情况下需要栅极驱动器。如图 2 所示，ADuM4122 通过使用由聚酰亚胺隔离层隔开的i Coupler 芯片级变压器线圈跨隔离栅传输数据的高频载波，实现了栅极驱动器控制侧和输出侧之间的隔离。

图 2：ADum4122 隔离功能的操作框图

在高功率密度应用中，例如电动汽车 (EV) 的 DC-DC 转换器，必须获得高值 CMTI（共模瞬态抗扰度）。高 CMTI 值允许在高开关频率应用中使用栅极驱动器。ADI 公司的小尺寸栅极驱动器设计用于承受宽带隙元件（如 SiC 和 GaN）所需的高开关频率和严格的时间限制。EVAL-ADuM4122EBZ 评估板（如图 3 所示）支持具有压摆率控制的 ADuM4122 隔离式栅极驱动器。评估板提供跳线和螺钉端子以配置不同的驱动条件，接受 V IN+ 和 SRC 引脚上的方波和直流值。SRC 引脚控制 V OUT_SRC引脚设置为高阻态或遵循 VIN+ 上用户提供的脉宽调制 (PWM) 输入的逻辑。当外部串联栅极电阻结合来自 V OUT和 V OUT_SRC引脚的输出时，一个隔离式栅极驱动器就能够拥有两个易于选择的压摆率。EVAL-ADuM4122EBZ 板测试器件的传播延迟、驱动强度、压摆率选择和输入逻辑。

无线充电

无线电动汽车 (EV) 充电使用电感器（通常放置在沥青下方）和车载接收器。充电通过磁性板自动进行，磁性板不断为电池充电，无论车辆静止还是行驶。

在无线电力传输领域，工程师需要具有高功率和高效率基于 GaN 的解决方案的解决方案。GaN Systems 广泛的晶体管产品组合提供高功率无线充电解决方案，为多种要求严苛的应用设计更小、更便宜、更高效的电源系统。

审核编辑：刘清