从三种充电方式，解锁不同功率电动汽车充电桩设计方案全攻略

随着全球能源结构的转变和环保意识的提升，电动汽车、混合动力汽车等新能源汽车在全球范围内得到了广泛的推广和应用。作为新能源汽车的“加油站”，充电桩不仅是连接电网和电动汽车的桥梁，也是实现智能电网、促进可再生能源利用、推动城市交通电气化转型的重要基础设施。中国电动汽车充电基础设施促进联盟的数据显示，2023年1-11月，充电基础设施增量达到305.4万台，桩车增量比为1:2.7，充电基础设施建设正逐步跟上新能源汽车的增长步伐。

技术创新正成为充电桩行业快速发展的关键驱动力，为满足不同场景下的充电需求，本文将介绍三种主流不同功率段的电动汽车充电方式，并探讨安森美(onsemi)所提供的具体解决方案参考。

一、交流充电

交流充电是目前市面上最常见的充电方式，通常使用家用电源插座或专用的交流充电桩进行。这种充电方式的功率范围从3.3kW(单相)到22kW(三相)，适合家庭和办公场所使用，其优点是设备简单、成本较低，但充电时间较长，例如80kWh的电池可能需要12小时才能充满。


在交流充电中，作为电动汽车与公共电网之间的接口，车载充电机(OBC)安装在电动汽车内部，能够将来自电网的交流电转换为电动汽车高压电池所需的直流电，以满足电动汽车动力电池的充电需求。同时，它还能将动力电池的直流电逆变为交流电，反馈到电网中，实现电动汽车动力电池和电网之间的能量转换。


OBC典型框图

OBC主要包含EMI滤波器、功率因数校正(PFC)级和包含独立初级与次级部分的隔离式DC-DC转换器三个模块，通常采用有桥Single Boost或全桥/半桥LLC拓扑，以实现高效的功率转换和稳定的输出。目前的设计趋势是向更高的功率等级和电压方向演进，设计支持各种电压和功率等级，例如在支持11kW至22kW功率的同时，还需支持高达800V的更高电池电压。

安森美作为大功率汽车应用领域成熟的电源模块供应商，从650V-1200V的碳化硅MOSFET以及APM16/32系列汽车功率模块等，持续为客户供应相应产品。例如APM16系列采用硅超级结MOSFET和硅或碳化硅二极管技术的组合，能够支持400V DC电池系统，为PFC级、原边DCDC级以及副边整流边提供了多种解决方案。而APM32系列 集成了1200V碳化硅器件，可用于800V电池系统和更大功率的OBC。

二、直流充电装置(DC Wallbox)

DC Wallbox 或DC充电模块是一种直流充电设备，通常被设计为安装在墙壁上的小型充电装置，提供了比交流充电更快的充电速度，这种充电方式的功率范围可以从6.6kW(单相)到75kW(三相)，在2小时内为80kWh的电池充满电，并且充电设备通常体积较小，重量适中，价格中等，适合公共停车场和商业充电站。


以直流方式进行充电时，同样需要电动汽车充电器(EVC)，但通常并未集成到电动汽车内部，因此其设计重点在于提供高效的电能转换和快速的充电能力，同时也需要考虑与电网的兼容性和充电安全性。典型的直流EVC可能采用三相Vienna/T-NPC PFC拓扑或三相全桥PFC拓扑，以及三电平全桥LLC或I-NPC的隔离型DC-DC转换器，以实现高效率和低EMI。


DC充电典型框图

此前安森美分享了基于碳化硅功率集成模块的25 kW快速直流充电桩完整方案参考设计，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，可显着降低导通损耗和开关损耗，同时集成了隔离式大电流、高效率栅极驱动器 NCD57000。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。此外，除了采用功率集成模块外，设备方案商也通常在充电桩中使用类似22/30/40 mohm的TO247-4封装SiC分立器件进行设计。


三、直流快充桩

快速直流充电站(DCFC)是为电动汽车提供最快速充电的解决方案，功率可达30kW至600kW，这种充电方式可以在15分钟内为80kWh的电池充满电，适合高速公路服务区和大型充电站。快速直流充电站体积大，可以通过并联多个充电模块以获得更高输出能力，同时多输出可兼容交流充电，价格较高但提供了极大的便利性。


要实现更快的充电、适配更高的电动汽车电池电压并提高整体功率效率，直流快充桩必须在更高的电压和功率水平下运行，同时由于直流快充桩集成了各种元器件，包括辅助电源、传感、电源管理、连接和通信器件，需要采⽤灵活的制造⽅法以满⾜各种电动汽⻋不断变化的充电需求，给OEM制造商带来的挑战是必须设计一种能在不影响可靠性或安全性的情况下优化效率的架构。

为助力客户电动汽车直流超快速充电桩设计，安森美不久前推出了九款全新EliteSiC功率集成模块，通过减少寄生参数和提高散热能力，基于碳化硅的解决方案将具备更高的效率和更简单的冷却机制，实现更快的开关速度和更低的系统损耗，显著降低系统成本。与传统的硅基IGBT解决方案相比，尺寸最多可减小40%，重量最多可减轻52%。这更紧凑、更轻的充电平台，将为设计人员提供快速部署可靠、高效和可扩展的直流快充网络所需的所有关键构建模块，实现在短短15分钟内将电动汽车电池充电至80%。


该系列PIM采用第三代M3S SiC MOSFET技术，提供超低的开关损耗和超高的效率，同时支持多电平T型中性点钳位(TNPC)、半桥和全桥等关键拓扑，支持25kW至100kW的可扩展输出功率段，采用行业标准F1和F2封装，可选择预涂热界面材料(TIM)和压接引脚，能够实现最佳热管理，避免因过热导致的系统故障。

随着电动汽车市场的不断扩大，充电设施的建设和技术进步变得至关重要，安森美提供的一系列解决方案从家用AC充电到公共的DC快速充电站，都体现了其在电动汽车充电技术领域领先的专业能力，不仅推动了电动汽车充电效率的提升，也为全球的绿色出行贡献了力量。