“鉴于目前缺乏标准方法，电动汽车充电器制造商将寻求第三方支持和指导，以将 SiC 元器件集成到高压设计中。在这方面，富昌电子有两个特别的优势：第一，作为全球授权分销商，其与意法半导体、安森美半导体和Microchip等 SiC 元器件供应商保持着密切的关系。这使其能够深入了解这些公司提供的性能和可靠性数据，以及这些稀缺元器件的供应链。
”作者：Tony Titre，富昌电子EMEA汽车业务拓展经理，David Woodcock，富昌电子卓越中心经理（电源）
当今的消费者对延迟几乎没有耐心：例如，Uber Eats 之类的智能手机应用程序已经让用户习惯在家中随时点餐且在几分钟内收到。而现在，亚马逊已经开始尝试使用无人机，探寻在线下单后 30 分钟内送货上门的市场需求。
消费者可以随时随地拥有他们想要的任何东西的期望与当今电动汽车 (EV) 充电系统的运行效率不匹配。如果全电动汽车的电池深度放电，典型额定功率为 7kW 的家用充电器大约需要 5 至 8 小时才能为主流汽车（如雷诺佐伊或日产聆风等）的电池充满电。
消费者可以随时随地拥有他们想要的任何东西的期望与当今电动汽车 (EV) 充电系统的运行效率不匹配。如果全电动汽车的电池深度放电，典型额定功率为 7kW 的家用充电器大约需要 5 至 8 小时才能为主流汽车（如雷诺佐伊或日产聆风等）的电池充满电。
图1：目前大多数家用和街道电动汽车充电器仅限于7kW的最大功率输出（图片来源：Albert Lugosi，知识共享许可协议）
然而，迄今为止，在家用电动汽车充电器硬件上的开发工作很少。这主要是因为大多数欧洲家庭都采用单相市电电源，而电动汽车内的单相 AC-DC 车载充电器的最大功率约为 7kW。在当今低产量的情况下，简单的 7kW 交流家用充电器的电路板设计可以用一些用于电源电路、控制器和存储器的现成模块化组件进行组装。
为了达到一小时的充电时间基准，充电器制造商需要开发采用三相市电输入运行、直接向电池提供高压直流输出的家用充电器（绕过汽车的车载 AC-DC 充电器），并且具有至少 22kW 的功率容量。高效率将是这些新型家用充电器的一个关键特性，以限制功率损耗成本，避免产生过多的废热，简化系统热管理。
这为行业和政策制定者提出了三个需要考虑的重要问题。
1. 升级电网基础设施
虽然商业办公大楼或公寓大楼等大型建筑可能采用高功率三相电源，但欧洲的大多数独栋住宅都采用单相输入。安装家用三相电源的成本将相当可观（每个家庭数百欧元）。这是购买新电动汽车的一大障碍。那么电动汽车制造商是否会补贴新车购买者家中升级电源的成本？ 二手电动车的购买者如何承担安装三相电源的费用？或者，政府或电力供应行业是否会承担家庭升级到三相供电的成本？
容量问题也对大功率家用充电点的使用构成风险。如今，安装在高速公路服务站的高速（50kW以上）公共充电点消耗的电力过多，无法由当地电网直接供应，而是从当地电池储能中汲取电力。
不难想象，如果很多电动汽车车主在傍晚下班回家后同时插入22kW充电点，会导致当地电网变压器过载。也可以想象，续航里程更长的电动汽车需要70kWh至100kWh的电池容量，将促使车主在家中安装额定功率为50kW至100kW的超高功率充电点。这种超强充电器的运行可能需要在家中或当地电网基础设施中准备电池备用电源。
2. 宽带隙半导体元器件的可用性
在电池电压为 200V 至 500V DC 且功率水平高达 22kW 的情况下将三相 240V AC 输入转换为 DC 输出时，传统硅开关（MOSFET 或 IGBT）以及二极管等功率元件的损耗是可观的。
与等效的硅元器件的损耗相比，宽带隙半导体技术的使用（使用碳化硅 SiC 或氮化镓 GaN 材料）有望显著降低开关损耗和传导损耗。同样重要的是，碳化硅和氮化镓晶体管都支持比硅等效物高得多的开关频率，这使得使用更小的磁性元件和电容器成为可能。在使用基于低速硅开关架构的高压电源转换器中，大型磁性元件可能占BOM总成本的一半。
因此，即使考虑到 SiC 或 GaN 元器件与其硅等效物相比更高的单位成本，磁性元件尺寸减小和成本降低也可以实现更低的系统总成本。
任何计划进入大功率家用电动汽车充电器市场的制造商面临的问题是，虽然 SiC 或 GaN 元器件的属性非常有吸引力，供应正在增长，但受到限制。汽车制造商购买了这些元件的大部分市场容量，用于电动汽车的牵引动力系统。意法半导体、安森美半导体、Littelfuse 和 Microchip 等 SiC 元器件的供应商正在快速提高产量，当然供应最终会与需求平衡。同样，制造商正在大力投资设施，以增加 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件的产量。但在短期内，在大功率充电点中使用宽带隙半导体将需要对供应链进行仔细管理。SiC 和 GaN 元器件的短缺是富昌电子等拥有全球供应链的分销商可以消除的问题。
3. 大功率系统设计专业知识的可用性
着眼于家用充电点市场的制造商面临的第三个重要挑战是整合使用 GaN 或 SiC 元器件实施复杂电源转换架构所需的专业知识，而很少有经验丰富的电源系统设计人员对此熟悉
充电点设计人员可能会使用两种架构中的一种，具体取决于应用需求。充电器可能是单向的 — 也就是说，从电网向电动汽车电池供电，但绝不会反向供电。
三相单向充电点通常采用两级架构，包括提供约 800V DC 输出的 Vienna 整流器，和具有恒流/恒压充电曲线、产生 200V-500V 范围内的电池电压的降压 DC-DC 转换器次级（见图 2）。Microchip 为基于 SiC MOSFET 和二极管的 Vienna 整流器提供了出色的参考设计，可在额定功率高达 30kW 的电动汽车充电器中提供功率因数校正 (PFC)。MSCSICPFC/REF5 设计可在 20kW 的功率输出下实现 98.5% 的效率 [1]。
图 2：Vienna 整流器的示意图，它在典型的单向三相电动汽车充电器的 AC-DC 转换器电路中实现了功率因数校正（图片来源：Uwe Drofenik，知识共享许可协议）
然而，该应用可能需要双向功能，即车辆电池既可以从电网吸收电力，也可以在需要时提供电力，以支持本地电网平衡方案。事实上，世界各地的电网运营商都热衷于探索电动汽车通过在高需求时向电网“借出”电力、并在低需求时吸收电力以平滑一天中的电力波动的潜力。
双向充电点可提供这种双向的电力流动，但其架构比单向充电点更复杂。支持高效双向转换的拓扑结构非常适合使用 GaN 或 SiC 晶体管。正在开发的 GaN 技术未来将支持在高达 22kW 的功率水平下的运行。目前，用于双向充电器拓扑结构的 SiC MOSFET 技术在商业化方面取得了进一步进展。
短期内，充电点制造商的商业重点将放在功率高达 22kW 的家用和街道使用的单向充电器上。Vienna 整流器实现了 PFC 级，而电动汽车充电器制造商正在进入高压 DC-DC 转换级的未知领域（见图 3）。当然，这个 DC-DC 级将需要使用 SiC 元器件，因为它们具有快速开关能力（减小了磁性元件的尺寸），并具有较低的开关损耗和传导损耗。
图 3：22kW 家用电动汽车充电器电路中的功能块（图片来源：意法半导体）
然而，目前对于最适用于这个级的拓扑结构还没有达成共识：展示如何实现这种设计的文献和参考设计很少。一些制造商正在使用包括双有源桥在内的拓扑结构，因为它们提供了高效的操作。其他制造商正在努力调节谐振 DC-DC 拓扑结构，以提高效率。
鉴于目前缺乏标准方法，电动汽车充电器制造商将寻求第三方支持和指导，以将 SiC 元器件集成到高压设计中。在这方面，富昌电子有两个特别的优势：第一，作为全球授权分销商，其与意法半导体、安森美半导体和Microchip等 SiC 元器件供应商保持着密切的关系。这使其能够深入了解这些公司提供的性能和可靠性数据，以及这些稀缺元器件的供应链。
其次，富昌电子位于英国伦敦的电源专家卓越中心在为客户开发生产就绪型定制电源电路（用于超过 1kW 的具有挑战性的应用）方面积累了独特的专业知识。它在高效系统中实现宽带隙半导体方面拥有丰富的经验。这种专业知识可用于帮助充电器制造商将电动汽车电池所需的 200V-500V 级别的高效、隔离式 DC-DC 功率级推向市场。作为 CoE 成员的全球分销商身份也意味着富昌电子创建的设计都基于可批量生产的商用元器件。
专业知识和元器件的可用性
因此，电动汽车充电器制造商正在研究如何实施以 22kW 及更高功率水平运行的新一代家用和街道充电器。正如本文所述，制造商应仔细研究 SiC 元器件的可用性，以及在隔离、高效 DC-DC 转换器级中使用它们所需的专业知识。
还有更多的电网基础设施问题也仍未解决，制造商需要尽力敦促电网运营商、监管机构和政府尽早解决这些问题。
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[1] Microchip MSCSICPFC/REF5 参考设计
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