优化大功率直流充电桩设计

3 级 DCFC 的前端由三相功率因数校正 (PFC) 升压级组成，可以是单向或双向；升压级可以采用各种拓扑（二电平或三电平）实现。PFC 级接受电网电压（400 EU、480 US），并将其升压至 700 至 1000 V。对于下一代充电桩，业界已经瞄准了更高电压。

在升压级之后，DC−DC 隔离级将总线电压转换为所需的输出电压。此电压需要与电动汽车电池的充电曲线保持一致。因此，DC-DC 输出可能需要在 150 V 至 1500 V 之间摆动，具体电压取决于电池和所处的充电阶段。转换器通常针对特定电压水平（常见为 400 V 或 800 V）进行优化。为了实现更高的功率水平，DCFC 会将多个功率模块（图 6）堆叠起来并联运行。

为了在此类高电压下实现更高的效率，业界正从分立式、IGBT 和混合方案转向 SiC 功率集成模块 (PIM)。（图 7）除 PIM 之外，DCFC 还需要多种功率器件，包括栅极驱动器 IC、数字隔离器、电源 IC（LDO、SMPS 等）和电流检测。

图 6. 300 kW DCFC 中的 12 x 25 kW 构建模块


图 7. 机电设计比较

通信和连接也是 DCFC 设计的关键方面。堆叠的模块需要能够与充电桩控制器通信，车辆和充电桩必须就充电序列进行通信（CAN 或 PLC）。独立的快速直流充电桩还需要能够处理充电相关的支付。最后，充电桩需要管理自身的维护、软件升级等（例如通过蓝牙低功耗、Wi-Fi 4、LTE）。实际标准由所使用的直流充电协议规定，例如 IEC−61851 / SAE1772、GB/T、CHAdeMO、组合充电系统 (CCS) 或特斯拉超级充电桩（图 8）。

图 8. 交流和直流快速充电桩的架构

DCFC 关键设计考虑因素

设计 DCFC 时，有多个关键因素需要考虑，这些因素会影响架构设计和器件选择：

• 目标效率：

确定应优化效率的电压和功率范围。充电桩在充电期间在不同的电平运行，因此系统应针对对电力传输效率影响最大的电平进行优化。

• 分立式设计还是功率集成模块 (PIM)：

分立式设计的灵活性更大，但开发过程也更复杂（图 7）。对于许多应用而言，模块在效率方面的诸多优势是分立式设计难以企及的。例如，模块将多个功率器件集成在单个紧凑的封装中，简化了机械组装，优化了热管理，提高了可靠性，并减少了电压尖峰和高频 EMI。

• 架构/拓扑结构：

所选择的拓扑结构（即二电平还是三电平）以及充电桩需要单向运行还是双向运行，都会影响器件的选择。实现直流充电桩 PFC 和 DC-DC 级的拓扑结构选项有许多。由于功率和电压水平非常高，许多 OEM 的首选架构一般是三级功率因数校正 (PFC)。PFC 设计最常用的拓扑结构有三开关 Vienna（单向）、NPC、A-NPC、T-NPC（双向替换二极管）和六开关（双向）。DC−DC 级通常以全桥或相移 LLC 及其变体实现，并采用双有源桥 (DAB) 架构支持双向拓扑结构。这些拓扑结构包括二电平和三电平系统，它们分别采用 600 至 650 V 或 900 至 1200 V 开关和二极管。（进一步了解拓扑结构：快速直流电动汽车充电：系统中使用的常见拓扑和功率器件）

• 约束条件：

应注意物理系统约束，包括尺寸、重量、成本和其他需要考虑的限制因素。例如，如果尺寸和重量很重要，那么选择基于 SiC 的模块将能降低总体布线要求，减小系统尺寸，并减轻车重。

• 热管理：

管理散热对于维持效率、可靠性和系统使用寿命至关重要。使用 SiC 器件以更高频率运行，可以提高功率密度，提升效率，并减少需要管理的热量。此外，许多模块还针对使用极低热阻材料的热传递进行了优化。

• 仿真模型：

拥有器件和模块的精确模型可以大大简化和加速设计过程，尤其是在权衡多种设计方案时。

• 通信：

明确特定应用需要哪些标准和协议。确保所选的供应商和产品系列支持所有可能需要纳入的标准，以支持当今和未来的电动汽车。

• 保护：

根据法规要求，必须配备接地故障断路 (GFI) 功能。其他功能（如浪涌电流和过压保护）也至关重要。系统中如何集成这些功能（即单独的电路、功率级的一部分、集成在模块上等），将会影响对其他系统约束条件的优化。

先进的充电架构

理想情况下，电动汽车在非高峰时段充电。这会大大降低电力成本，并减少高峰时段电网的负荷，避免造成停电。

为了实现这一目标，直流充电桩需要与储能系统 (ESS) 和太阳能发电系统集成。ESS 在非高峰时段充电，储存电力以供白天使用。通过安装太阳能电池板以在白天发电，可以减少对 ESS 电力的消耗，从而减轻 ESS 的负荷。在这种配置中，DC/DC 转换器可以连接到高压总线来为电动汽车充电。

图 9. 由可再生太阳能电池板和储能设施供电的快速超级充电桩

安森美(onsemi)致力于在供应链的所有层面实现可持续发展。对于希望采用此类先进架构的 OEM，安森美可以帮助他们以高效、安全、可靠、可持续的方式集成合适的技术。

快速和超快速直流充电是电动汽车的未来。快速直流充电桩能够将充电时间缩短至不到一小时，这将为电动汽车开辟一系列全新的应用领域和使用场景。

总结

通过了解影响器件选择的关键设计考虑因素，工程师可以优化大功率直流充电桩架构，实现更高的效率、可靠性和性能。随着碳化硅和功率集成模块等技术的进步，工程师可以更快速地评估和设计复杂系统，而无需作出妥协。由此，OEM 可以迅速且经济高效地满足市场的充电需求。而且，OEM 可以与合适的合作伙伴合作，通过集成储能系统等新技术来创建更具可持续性的基础设施，从而不断提升产品的质量和实用性。

虽然 IGBT 和混合实现方案仍在使用，但基于 SiC 的功率模块正迅速成为 DCFC 充电应用的首选方案。安森美提供专用于 DCFC 的现成 PIM 系列，其具有 EliteSiC 900 V 和 1200 V 击穿电压额定值。这些模块支持半桥和全桥拓扑结构，采用 F1 和 F2 封装，具有极低的 RDS_ons（3 至 40 mΩ，具体取决于配置）。此外，安森美正在开发多种使用 M3S 技术平台的新的 SiC PIM 产品，以进一步为设计人员的系统设计提供更大的灵活性。

安森美还提供丰富的参考设计和硬件，配备专门的专家应用团队，为全球电动汽车充电系统设计提供 SiC 驱动器优化和系统方案专业知识，让设计人员可以快速评估驱动器并加速应用开发。