如何增强电动汽车基础设施构建模块

汽车子系统的设计者不断努力开发创新的解决方案，以延长电动汽车 (EV) 的续航里程并缩短充电时间。为了实现这些目标，他们将硅基技术在尺寸、重量和功率效率方面推向接近物理极限，并正在转向碳化硅 (SiC) 解决方案来应对这些挑战。与硅相比，SiC 器件具有更低的导通电阻、更快的开关速度，并且能够在更高的结温下承受更大的电压和电流。

电动汽车采用 800 V 等更高电压的趋势也推动了牵引逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器以及热泵和燃料电池压缩机的新设计。在这里，高压 SiC MOSFET 和二极管的坚固性能非常适合电动汽车，特别是在可用性至关重要的商业和越野应用中。

与此同时，主流车辆现有的 400V 充电基础设施网络也需要适应更新的 800V 车辆设计。因此，对高电压日益增长的需求正在推动汽车中升压器 DC-DC 模块的开发，以将电压轨连接在一起。

SiC 技术还可以充当固态断路器或 E-Fuse 中的开关元件，以保护车辆中的电气元件并在故障发生之前诊断故障事件。与机械解决方案相比，改进的诊断和配置选项可以节省维修停机时间和成本。

接下来，对快速直流充电基础设施为车辆快速充电的需求不断增加。这对于必须尽可能长时间工作的商业应用（从卡车和公共汽车到采矿和建筑设备）尤其重要。

以下是三个电动汽车设计领域的概览，其中碳化硅功率半导体可提供更高水平的功率转换效率、功率密度和可靠性。

1.固态断路器

与传统电路保护解决方案相比，将 SiC 用于固态断路器具有多种优势。该技术可以使用软件可配置的跳闸配置文件进行快速切换，例如通过 LIN 接口，在几微秒内中断电路。由于采用高压固态设计，这比传统机械方法快 100-500 倍。

E-Fuse 可重置，无需更换物理保险丝，如果电路定期中断，这可以提供可靠的长期解决方案。使用固态电子保险丝解决方案可以消除通过机械触点切换高压直流电流时产生电弧的潜在风险。

E-Fuse 演示器包括 700V 和 1,200V MOSFET 开关以及电流感应、放大器、LIN 接口和具有独立于内核的外设的 8 位 PIC 微控制器。微芯科技

2.快速充电

电动汽车、商用车和越野车需要快速充电能力。虽然汽车可以在车道上过夜充电，但运输巴士或建筑设备需要在白天或晚上有效运行。因此，他们正在转向 800 V 甚至 1,000 V 的电池组，以为大型重载车辆提供所需的功率水平。

这些车载充电器设计需要更高的功率，而 SiC 技术可以提供解决方案。额定电压为 1,200 V 甚至 1,700 V 的器件为开发人员提供了更高的设计余量。这可以转化为车辆更高的峰值性能、更少的冗余以及更容易的元件制造。与硅 IGBT 相比，SiC 的效率更高，这也意味着需要更小的散热器，从而减轻车辆的重量。

如所示，隔离式 30 kW DC-DC 充电器的技术演示器基于雪崩额定 1,200V MOSFET 和 1,200V 二极管。该设计的峰值效率 >98%，输入电压为 650–750 V，输出电压为 150–600 V，电流为 50–60 A，开关频率为 140 kHz。PCB 布局针对安全性、电流、机械应力和抗噪性进行了优化。

此外，功率因数校正 (PFC) 器件通常需要进行交流到直流转换，并将交流输入电流相移相对于交流输入电压保持在明确的限制内，从而确保接近单位的功率因数和低总谐波失真 (THD)。

此外，在未来，将汽车电池的能量输送回电网将是一个必要的选择。这种双向充电的能力可以通过图腾柱方案中基于 SiC 的 11 kW PFC 设计来证明。

3.150千瓦基础设施充电器

碳化硅也是充电基础设施的关键。更高的电压和电流以及更小的冷却元件的更高效率的相同优点导致充电器设计更小。虽然充电器的尺寸对于在仓库中过夜存放的商用车和越野车来说并不那么重要，但它对于越来越受欢迎的家用双向直流充电器来说却很重要。

同样，公共3级直流快速充电器绕过车辆的车载充电器（OBC），通过电动汽车的电池管理系统（BMS）直接为电池充电。绕过 OBC 可显着提高充电速率，充电器输出功率范围为 50 kW 至 350 kW。

使用模块化设计方法意味着 PFC 前端用于交流到直流转换，通常来自更高的交流电压（例如 480 V），并联一系列隔离式直流-直流转换器模块，为车辆。

这种设计方法允许从基本模块开发一系列充电器，以满足车辆操作员的不同要求。随着车辆需求的发展，需要更高的功率来实现更快的充电，可以使用 SiC 设备来改变充电基础设施。这种方法用于高达 150 kW 的快速充电系统以及更高性能的系统。

使用数字电源管理以及 SiC MOSFET 和二极管的组合，使设计能够提供高系统效率和集成度、高功率密度和先进的数字控制环路，并提高直流快速充电器应用的各种电源拓扑的灵活性。这些可以与模拟、电源管理、无线和有线连接、电能计量、内存、安全和人机界面 (HMI) 设备相结合，以完成 3 级直流快速充电设计。