一輛純電動(dòng)車(chē)（EV）充滿(mǎn)電需要多久？如果借助家用交流電源的話，恐怕怎么也得花上一整個(gè)晚上。為解決充電時(shí)間問(wèn)題，三級(jí)「快速」直流充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，有望將充電時(shí)間從數(shù)小時(shí)減少至數(shù)分鐘。本文中，我們將探討轉(zhuǎn)換效率與高速電源轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系，并揭示新型寬帶隙技術(shù)非常適合此類(lèi)工作的理由。

充電時(shí)間和續(xù)航里程一樣重要

純電動(dòng)車(chē)正越來(lái)越流行，而隨著潛在用戶(hù)對(duì)它們的了解愈發(fā)深入，純電動(dòng)車(chē)極有可能迎來(lái)更快速的發(fā)展。根據(jù)美國(guó)能源信息署（EIA）預(yù)測(cè)，從2018年到2050年，續(xù)航里程達(dá)到160.9km、321.8km和482.8km級(jí)別的純電動(dòng)乘用車(chē)將實(shí)現(xiàn)29%的增長(zhǎng)。得益于美國(guó)聯(lián)邦和各州為刺激純電動(dòng)車(chē)需求而頒布的法案和激勵(lì)措施，更多消費(fèi)者如今都愿意在購(gòu)買(mǎi)新車(chē)時(shí)將純電動(dòng)車(chē)列入候選中。不論消費(fèi)者此舉是出于「保護(hù)地球環(huán)境」的「政治正確」，還是經(jīng)過(guò)詳細(xì)、明智的考察之后做出的認(rèn)真決策，續(xù)航里程一定會(huì)是選擇過(guò)程中繞不過(guò)去的話題，一些思緒更加深入的消費(fèi)者可能會(huì)進(jìn)一步考慮充滿(mǎn)電所需要的時(shí)間。在絕大多數(shù)車(chē)主看來(lái)，純電動(dòng)車(chē)充電就好比燃油車(chē)加油，后者花費(fèi)的時(shí)間顯然不會(huì)超過(guò)10到15分鐘；然而，對(duì)于純電動(dòng)車(chē)，現(xiàn)實(shí)卻很骨感：大多數(shù)純電動(dòng)車(chē)都采用車(chē)載交流充電方案，必須花上整整一個(gè)晚上或者至少好幾個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)電（表1）。目前，美國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)部署的純電動(dòng)車(chē)充電樁大都是一級(jí)充電樁（通常采用家用交流電）或二級(jí)充電樁（接入三相交流電的停車(chē)場(chǎng)和零售場(chǎng)所）。上述充電級(jí)別是由美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）定義的，該協(xié)會(huì)的J1772標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一級(jí)和二級(jí)充電樁的插頭和插座布局方式。對(duì)于二級(jí)和三級(jí)充電樁，SAE規(guī)定了一種組合的插頭和插座制式。

表1：純電動(dòng)車(chē)充電樁的類(lèi)型，列出了各種充電級(jí)別以及對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間和功率需求（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

正如表1所示，如果純電動(dòng)車(chē)要解鎖如同燃油車(chē)一般的「快速回血」技能，就必須借助四級(jí)充電樁和支持直流充電的車(chē)輛。實(shí)現(xiàn)四級(jí)充電需要極高的功率，并且其設(shè)計(jì)重點(diǎn)不再是車(chē)載交-直流充電樁，而是大功率、高效率的直流充電樁。如今，四級(jí)充電樁雖然在技術(shù)上可行，但它對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求極高，因此在綜合考慮充電時(shí)間、成本和電網(wǎng)承載能力三者平衡的情況下，三級(jí)充電樁成為了一種頗有前途的解決方案。

快速、大功率三級(jí)充電樁的設(shè)計(jì)

三級(jí)充電樁也稱(chēng)為「快充」充電樁，最大可提供500A電流，需采用高效三相電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，這種拓?fù)渫ǔＪ褂脦е绷?直流轉(zhuǎn)換器、基于Vienna整流器的功率因數(shù)校正（PFC）方法（圖1）。這種交流-直流轉(zhuǎn)換方法充分利用了電網(wǎng)三相電源中三個(gè)互不相同的電平，能夠以高效率、高密度、低物料消耗的方式實(shí)現(xiàn)所需輸出功率。

圖1：采用Vienna PFC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞募冸妱?dòng)車(chē)三級(jí)充電樁（來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

采用Vienna拓?fù)溆兄T多優(yōu)勢(shì)，但也會(huì)帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴捎迷撏負(fù)湫枰獙?shí)現(xiàn)大功率高頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)操作，此舉還會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，加之轉(zhuǎn)換損耗所產(chǎn)生的熱量也需要得到處理。這些挑戰(zhàn)以及充電設(shè)備的位置所帶來(lái)的空間限制，驅(qū)使著電源設(shè)計(jì)工程師不斷尋求超越當(dāng)今硅基二極管和MOSFET特性的半導(dǎo)體制程技術(shù)。
作者簡(jiǎn)介

Robert Huntley是一位具有HND資格認(rèn)證的工程師和技術(shù)作家。他擁有電信、導(dǎo)航系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用工程等專(zhuān)業(yè)背景，代表貿(mào)澤電子撰寫(xiě)了各種技術(shù)和實(shí)踐文章。