直流快速电动汽车充电器的设计技巧与解决方案

便捷高效的充电对于所有电池供电的电动汽车（BEV）的成功至关重要，可用充电的地方越多，充电速度越快，消费者就越有可能购买纯电动汽车而不是化石燃料汽车。本文将为您介绍25 kW直流快速电动汽车充电器的设计技巧，以及由安森美（onsemi）所推出的相关解决方案。

直流快速充电技术提升电动汽车充电效率

当前采用直流快速电动汽车充电技术，是现代电动汽车充电的一种重要方式，它可以大幅缩短充电时间，提高用户的便利性和使用效率。

其中的关键技术首先牵涉到充电标准，目前主要有CHAdeMO、CCS（Combined Charging System）和Tesla Supercharger等多种充电标准，不同品牌和型号的电动汽车可能支持不同的充电标准，因此在选择充电设备时需确保与车辆兼容。

此外，直流快速充电的充电功率通常比交流充电高，能够快速将电能输送到电池中。充电功率的高低会影响充电速度和效率，因此需要根据电动汽车的需求和充电设备的规格来选择适合的充电功率。

直流快速充电需要专用的充电设备，通常设置在充电站或特定场所，并在充电时需要注意充电安全问题，包括避免充电过程中发生过热、过充或其他安全风险。一般来说，充电设备和电动汽车都会具有相应的安全保护机制，但使用者仍应留意充电过程中的任何异常情况，及时处理或停止充电。直流快速充电相较于慢速充电，对电池的冲击较大，因此建议适度控制直流快速充电的频率，避免过于频繁地使用直流快速充电，影响电池寿命和性能。

直流快速充电技术能够有效提高电动汽车的充电速度和便利性，但在使用过程中仍需注意充电标准、充电功率、充电设备和充电安全等方面的问题，确保充电过程安全可靠。


SiC模块是直流快速充电技术的关键元器件

碳化硅（SiC）模块是直流快速充电技术中的关键元器件，SiC模块包含SiC MOSFET和SiC二极管。升压模块用于太阳能逆变器的DC-DC级，这些模块使用额定电压为1200V的SiC MOSFET和SiC二极管。

SiC模块是一种使用碳化硅半导体作为其开关的电源模块，SiC电源模块的目的是通过开关转换电力，以提高系统效率，SiC模块的主要功能是转换电力。碳化硅比硅具有优势，因为离开电源时的阻抗较小（由于效率提高），SiC器件可以在更高的开关频率下运行。基于SiC的系统比硅解决方案更紧凑、更轻，可实现更小的设计。因此，SiC器件是想要提高效率和改善热管理情况的理想解决方案。

为了解决直流快速充电所面临的挑战，安森美对SiC技术和封装解决方案进行持续创新，将有助于简化电动汽车充电器的设计流程。安森美凭借着全面的分立电源和模拟解决方案、保护、传感和连接等产品组合，可提供高质量元器件，并根据客户的需求定制系统，结合安森美在过去20年中不断积累的系统专业知识，能够同时将所有这些技术结合在一起，提供全面的解决方案。


设计快速电动汽车充电器所面临的挑战

想要设计一个紧凑、高效、可靠的快速电动汽车充电器并不是一件容易的事。除了实际的转换电路之外，硬件保护技术也至关重要，需要设计人员分析多种“假设”场景，解决方案将包括由无源RC网络和区隔元器件形成的缓冲器。

过高的电压和／或电流始终是一个问题，需要提供保护以确保功率半导体不被损坏。其中一种技术是添加一个具有定义阈值和迟滞的电压比较器，如果存在过压，该电压比较器会阻止栅极驱动器。

过流问题相当具有挑战性，安森美推出的NDC57000栅极驱动器，具有过流去饱和保护（DESAT）功能，因此可以在对BOM和产品成本影响最小的情况下解决该问题。诸如此类的硬件保护在测试和调试期间尤其重要，尤其是启动阶段，此时最有可能发生不可预测的切换。

NDC57000可在PFC级中用于保护SiC功率集成模块（PIM），其测试方法可用于评估DESAT跳闸电流阈值，这是必须进行的功能测试。直流母线电容器用于提供所需的高峰值跳闸电流，并向栅极注入脉冲以打开模块，并允许DESAT保护跳闸。作为测试的结果，可以将理论值与实际值进行比较，并进行设计调整。

对于主双有源桥（DAB）DCDC转换器，也可使用NDC57000，依靠压降来监控电流水平。然而，这种方法对器件特性很敏感，虽然数据表已包含一些信息，但还是需要进行原型验证。

另一种方法是在开始制作原型之前进行模拟，以便更准确地设置参数。这样可以非破坏性的方式模拟和理解初级和次级短路效应。DESAT保护的离散增强功能，可为输出电压跨度高达200-1000V的DCDC级设计人员，提供宽工作电压范围解决方案。

SiC技术的显着优势之一是其能够在高频下运行。然而，这意味着快速的dv/dt转换速率，会对25 kW快速充电器的物理布局产生影响，必须优化布局以最大限度地减少寄生电感，尤其是电源走线中的寄生电感。此外，在多个点上还需要缓冲电路，以最大程度地减少可能造成破坏并产生EMI问题的过冲和振铃。

系统级控制是另一个重要领域，25 kW快速充电器在PFC和DAB内配备多个闭环控制器，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。这里的一个挑战是选择每个环路的增益，以便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具有两个PFC级和一个DAB的环回布置，以允许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阶段，其中被测器件的能量得到恢复，这可以节省大量的制造成本，以实现世界上的低碳排放使命。


具备高系统效率和可靠性的IGBT驱动器

安森美的NCD57000是一款具有内部电流隔离的大电流单通道IGBT驱动器，专为高功率应用中的高系统效率和可靠性而设计。其功能包括互补输入、开漏故障和就绪输出、有源米勒钳位、负栅极电压、精确的UVLO、DESAT保护、DESAT软关断，支持IGBT米勒平台电压下的高电流输出（+4/-6 A），传播延迟短且匹配准确，具有高瞬态和电磁抗扰度，以及5 kV电流隔离能力与独立的高低（OUTH和OUTL）驱动器输出，以方便系统设计。

NCD57000在输入侧可容纳5V和3.3V信号，在驱动器侧可容纳宽偏置电压范围，包括负电压功能。NCD57000提供>5 kVrms（UL1577等级）电流隔离和>1200 Viorm（工作电压）功能。NCD57000采用宽体SOIC-16封装，输入和输出之间保证有8 mm爬电距离，以满足强化安全绝缘要求。

为了加快客户的产品开发速度，安森美也推出了NCD57000的参考设计套件。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK是一款基于SiC功率集成模块的25kW快速直流电动汽车充电器参考设计套件。该完整SiC解决方案由PFC和DC-DC级组成，具有多个1200V、10 mohm半桥SiC模块NXH010P120MNF1，超低RDS(ON)和最小化寄生电感，可显着降低传导损耗和开关损耗。依靠强大的通用控制器板（UCB），以及Zynq®-7000 SoC FPGA和基于ARM®的处理器，该系统可在200V-1000V输出电压下提供最大25kW的功率，并以96%的全局效率为400V或800V电动汽车电池充电。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK还重点介绍了电流隔离大电流驱动器NCD57000、辅助电源解决方案SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB，可为低压元器件提供稳定电压轨、浪涌控制、过压等集成保护和多个通信接口。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK可支持三相PFC和DAB，可实现 400V/800V电池的双向功率转换，符合 EN55011 A 级和 IEC 61851 规范，集成了半桥、1200V、10 mohm SiC M1 MOSFET的NXH010P120MNF1 SiC 模块，以及隔离式大电流、高效率栅极驱动器 NCD57000。

结语

直流快速充电技术是电动汽车充电领域的一大突破，为电动汽车的普及和使用提供了更便捷、高效的充电方式。随着科技的不断发展和应用，直流快速充电已经成为现代电动汽车充电的主流方式之一。本文所介绍的25 kW直流快速充电器的设计技巧，以及由安森美所推出的相关解决方案，将有助您加速开发直流快速充电相关产品，抢占市场先机。