簡短的電動汽車部署展望

電動汽車、電動動力總成和車輛電氣化技術已經存在多年。事實上，第一個電動汽車（EV）出現在晚19日世紀。

然而，在近年來一直在這個替代燃料技術的興趣重生，尤其是對20月底日世紀。由于希望減少對氣候的影響，該行業正在經歷從內燃機 (ICE) 車輛的轉變。

基于 ICE 的車輛使用石油，這是一種日益稀缺的資源，嚴重污染環境，是氣候變化的主要因素。

直到最近三到五年，我們還沒有看到電動汽車生態系統的持續擴散，并沒有隨著法規的出臺、基礎設施的部署和插電式混合動力汽車的擴大而采取具體行動來推廣它(PHEV) 和純電動汽車 (BEV) 車型，最終提高了電動汽車進入廣闊市場的可及性。

近期加速發展的最重要驅動因素之一是對全球汽車制造商實施的排放監管政策。在歐洲，自去年（2020 年）開始實施的更嚴格措施可能會對不遵守這些措施的汽車制造商的底線[1]產生嚴重影響。這些規定將在未來幾年逐漸變得更加嚴格。難怪汽車制造商正在迅速行動并增加他們的 BEV 車型托盤，實際預測到 2025 年將有 300 款車型上路[2][3]。

在消費者端，政府在過去幾年中一直通過為 xEV 車主提供不同性質的好處來支持向替代燃料汽車的過渡。從免稅到免費停車和充電服務，再到高占用車輛 (HOV) 車道。

圖 2.每個生產日期推出的 BEV 市場。

資料來源：麥肯錫/IHS Automotive（2019 年 7 月）

此外，如果我們回顧最近的過去和現在，COVID-19 一直是并將繼續是孵化幕后趨勢的加速器，例如機器人化、5G 和連接性，當然還有電動汽車。 .特別是，優先考慮新技術和創新的多年投資計劃——無論是在公共領域還是私人領域。這些力量正在刺激電動汽車和插電式混合動力汽車的銷售增長，尤其是現在在歐洲。中國一直是采用、市場增長和產品的開拓者，但最近幾個月，歐洲在銷量上趕上了中國，達到了 140 萬臺，同比增長 137%。中國和美國的數字分別徘徊在134萬和33萬左右。[4][5][6]

圖 3. 2020-2024 年預計的 xEV 單位銷量。2020 年在 COVID-19 影響之前發布的報告。資料來源：IHS，Omdia，2020 年。

快速電動汽車充電基礎設施：需求強勁增長

除了促進采用 xEV 的直接激勵措施和措施外，整體環境還有其他變化正在加強向電動汽車的過渡。從歷史上看，一直存在阻礙向新車型發展的潛在障礙，最突出的障礙是：里程焦慮、xEV 汽車的價格（屬于“優質”ICE 類別價格范圍）以及最后，充電時間與為傳統車輛的油箱加油相比（一個簡單、眾所周知的概念和快速過程）。好吧，正在通過增加電池容量和提高車輛千瓦時/公里比率來解決里程焦慮。近年來，BEV 的價格正在穩步下降，并且越來越接近更廣泛的大眾市場類別，

剩下的最后一個障礙是充電時間，其中慢速（有效功率最高可達 22kW）和快速系統（22-400kW 和以上目標）共存。特別是慢速充電系統已經在家庭、公共停車場和工作場所停車場相對廣泛使用（圖 4）。不同的是，快速充電系統大多在公共場所、商業區域或充電站中可用，因為它們需要專用的電氣基礎設施，這意味著大量投資。在慢速充電的最高額定功率下，系統可以在約 50-60 分鐘內提供 100 公里的額外續航里程，但即使是這些也無法輕松部署在家庭中。在較低的功率端，當使用直接連接到標準插座的專用電纜時，家庭和私人可以達到 1.4 –3.7kW 的速率（取決于地區和適用的法規，可能會更大功率），但需要大約 5 小時（在3.7kW) 以增加 100 公里的續航里程。相反，快速充電系統可以在不到十分鐘的時間內提供這個范圍。對于很大一部分驅動程序和用例，慢速充電可能是一個可行的解決方案，但顯然，并非適用于所有人或所有情況。

圖 4. 2019 年（IEA2020）按國家/地區劃分的私人和公共可訪問充電器

因此，有效且可持續地向電動汽車過渡將需要部署快速充電基礎設施，以跟上道路上純電動汽車的增長步伐。不僅在數量上，而且在額定功率方面。功率越高，充電時間越短，這是一個重要因素，因為電池容量不斷增加，技術也在不斷改進，從而實現更高的峰值功率（更快的充電速率）。難怪快速充電器的增長預測預測 2020 年至 2027 年的銷量復合年增長率為 31.8%，同期市場規模的復合年增長率為 39.8%。[9]圖4描繪了2019年全球慢速和快速充電器的分布情況。

交流或直流充電：模糊線條

在電動汽車的背景下，用于充電的電纜和連接器通常被稱為“充電器”。帶有專用硬件設備（通常稱為“壁箱”）的交流 (AC) 插座用作連接充電線和為車輛充電的接口被稱為“充電器”，它可能與“充電器”混淆我們考慮發生功率轉換的實際設備，那么上面討論的元素不是充電器。

交流充電和直流（直流）充電是簡單的概念，由于上述原因可能會變得模糊。本質上，區別在于將電力傳輸到車輛充電端口（而不是電池）的方式。在交流充電模式下，來自電網的交流電通過交流電源插座或充電站輸送到汽車中。汽車將通過車載充電器 (OBC)管理 AC/DC 電源轉換) – 這里正確命名充電器，因為有電源轉換 – 并向電池提供直流電壓和電流。另一方面，在 DC 充電模式下，AC-DC 轉換是通過車外充電器在車外進行的——我們再次談論充電器。圖 5 說明了電動汽車的不同充電方案。直流充電額定功率范圍很廣，因為車輛外部的空間、重量和熱限制要寬松得多。因此，直流充電可能從甚至低于 11kW 到高達 400kW。當然，落在這些范圍內的用例可能會有很大不同。另一點值得注意的是，并非所有車輛都接受高直流功率水平的充電。現在大多數發布的車輛通常可以在直流模式下支持至少 50kW 的速率。

圖 5. 交流充電和直流充電概念圖。

資料來源：Yolé 開發部

由于其功率限制（通常最高端為 22 kW）和充電所需的最短時間，交流充電通常被稱為“慢速充電”。交流較高功率范圍（11 – 22 kW）有時可能被稱為“高功率交流充電”或“快速交流充電”，但沒有實際定義。另一方面，那些額定功率為 22kW 甚至高達 400kW 的直流充電器被認為是“快速”的。術語“超快”也用于 50kW 以上的功率，但沒有實際明確的界限或定義。現在部署的最常見的直流功率范圍為 22-150 千瓦，功率范圍在 200-350 千瓦之間。快速和超快速直流充電器通常僅在可接入三相電源連接到電網的專用區域公開使用。充電站，到目前為止主要沿高速公路，可能會顯示多個超快速充電器（> 150kWeach）。此類設施需要來自電網的專用高壓變壓器。

充電率和次數

為了獲得當今啟用的充電時間的概念，一個簡單的計算可??以讓我們有很長的路要走。考慮到具有 60 kWh 電池（現在發布的 BEV 集成 30 到 120 kWh 之間的電池）[10]和 100kW 直流充電器的車輛，可以得出以下結論：

充電時間=電池容量（有效）*1[kWh]/平均充電功率[kW] 充滿電的續航里程=電池容量（有效）*1[kWh]/效率[kWh/100km]60kWh/100kW=36分鐘

60 kWh/(18kWh/100km*2) =~333 公里

*1出于本練習的目的，考慮了完整的電池容量。可能有些電動汽車可能會對全部“有效”容量造成限制。

*2通用值，將取決于每輛車的特性。通常會落在12-23kWh/100km之間

必須考慮到，并非所有道路上的車輛都能支持高達 100kW 的直流充電率，目前發布的車型之間的實際差異通常在 50 kW 以下和 250 kW 以上[11]。同樣，以 kWh/100 km 比率衡量的車輛效率也存在顯著差異。有可用的數據庫[12]提供多種 BEV 的詳細信息。此外，充電過程中的平均功率不等于汽車接受的峰值功率，因為??隨著電池充電狀態 (SOC) 的升高，額定值需要設置上限。

無論如何，上面的例子很有啟發性，并提供了一個與基于 ICE 的車輛進行比較的標準。以平均 100 kWh 的速度為我們的 EV 充電需要 36 分鐘才能提供 333 公里的續航里程，或大約 10 分鐘才能提供 100 公里。對于傳統的基于 ICE 的車輛，相同的操作需要 3 到 5 次才能完全填充。有了這些數字，難怪市場正在迅速發展并推動更高功率的解決方案 [電動汽車供電設備 (EVSE) 側和車輛側]，允許充電功率超過 350 kW。

直流充電的標準和協議

為了規范和標準化交流和直流充電技術并促進支持電動汽車的兼容 EVSE 生態系統的發展，已經制定了若干標準和 IEC 規范。這些盡可能全球化的框架可以幫助協會和行業開發協議和 EVSE。然而，這絕不是一個微不足道的話題，因為來自不同組織的多個標準和實現在世界范圍內共存。

采用自上而下的方法并命名一些基本標準（以及發行組織總部的位置），它涉及：

1. IEC-68151（瑞士）
2. IEC-62196（瑞士）
3. IEC61980（瑞士）
4. ISO1740 9:2020（瑞士）
5. SAEJ1772（美國）
6. GB/T18487（中國）
7. GB/T20234（中國）
8. GB/T27930（中國）

如果我們研究從這些標準中汲取的實際充電協議和生態系統，我們會發現直流充電的三個全球擴展實施方案：CHAdeMO（“charge de move”的縮寫）、組合充電系統 (CCS) 和特斯拉增壓器。在中國，唯一標準和實施的協議是GB/T，也是該地區獨有的。下一節將討論這些協議和標準的一些特殊性。

直流充電有哪些重要標準？

IEC 61851。國際電工委員會 (IEC) 制定了上一節中列出的幾個標準。該IEC61851是指“電動汽車用傳導充電系統”，是中央件的IEC系列EV充電，著眼于電動車輛傳導充電系統的不同的主題，包括AC和DC分別充電到1000V和1500V[13]。該標準定義了四種不同的充電“模式”，其中前三種“模式”（1 到 3）指的是交流充電，而“模式”4 則是指直流充電。該IEC62196定義“插頭，插座-插座，車輛連接器和車輛入口和IEC61980地址'EV 無線電力傳輸 (WPT) 系統。在ISO17409：2020是純電動汽車的基礎標準由國際標準化組織（ISO）和補充專門的IEC61851如上所述。該文檔針對IEC61851-1 中定義的充電“模式”2、3、4 的“電動道路車輛 — 傳導功率傳輸 — 安全要求”。

在北美，管理標準是 SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。本文檔規定了在 1000 V 下提供高達 400 kW 的直流充電。 與 IEC-61851 中的充電“模式”不同，SAEJ1772 建立了充電“級別”并定義了以下內容：“交流級別 1”、“交流級別 2” 、“DC 1 級”和“DC 2 級”（2017 年修訂版）。這里要說明的一個重要問題是，“3 級”充電仍然是一個未定義的術語，廣泛（且具有誤導性）用于指代直流充電。已經有針對“AC Level3”的實際項目（盡管從未完全開發）并且已經討論過“DC Level 3”。無論如何，這些是不同的概念，不能用作直流充電的同義詞。此外，來自不同地區和組織的標準可以相互交織。SAEJ1772 首先定義了用于交流充電的“SAEJ1772”連接器類型（命名為“SAEJ1772 連接器”），主要用于北美。IEC-62196 后來采用了相同的連接器，并將其標識為 IEC-62196 Type1，與用于歐洲交流充電的 IEC-62196 Type 2 連接器形成對比。由于 IEC 連接器（1 類和 2 類）使用相同的 SAEJ1772 信號協議，汽車制造商根據市場銷售帶有 SAEJ1772?2009 或 IEC 2 類入口的汽車。

直流充電協議

如上一節所述，全球擴展了三種主要的收費協議。

CHAdeMO– 該協會于 2010 年在日本成立，負責開發同名的電動汽車充電協議。這些協議和組織得到日本主要汽車制造商和其他行業利益相關者的支持和推動。日產、三菱、豐田、日立、本田和松下僅舉幾例，其中也包括一些歐洲企業。這些協議借鑒了所討論的 IEC6185-1、-23、-24和IEC62196標準，并定義和使用了專用連接器（圖7）。協議范圍從 CHAdeMO0.9 到 CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分別支持200kW/500V和400kW/1000V。CHAdeMO 現在的目標是與中國電力企業聯合會 (CEC) 合作開發 900 kW 充電器，以制定稱為“超極”的超高功率充電標準[14]。該合作還努力成為超快速充電器的第一個全球協議[15]。2020 年 5 月，CHAdeMO 報告稱，全球安裝了 32,000 個快速充電器[16]，其中 14,400 個安裝在歐洲。

圖 7. 快速直流充電器連接器類型。特斯拉在北美和其他地區使用專有連接器。在歐洲和其他部署了 CCS 和 CHAdeMO 網絡的地區，特斯拉正在適應這些系統。來源：Enel X

聯合充電系統 (CCS)

另一種快速直流充電協議和系統最初主要由歐美汽車制造商、EVSE 基礎設施制造商和其他行業相關參與者開發和認可。亞洲制造商也加入了該集團。這些組織中的大多數正式組織為 CharIN 協會，負責協議的開發和推廣。CCS 系統符合適用的 IEC、SAE 和 ISO 標準，并支持交流充電（單相和三相）和直流充電，提供超過 200 kW 的直流充電能力，其中 350 kW 正在準備中[17 ].在撰寫本文時，CharIN 網站列出了已部署的超過 33,800 個直流電的充電點總數，分布在以下功率范圍內：6% 低于 50kW、58% 50kW、29% 150kW 和 7% 250kW。CSS 為直流充電指定了兩個連接器，Combo 1 和 Combo（圖 8），它們建立在原始交流充電對應物（Type1 和 Type2）的基礎上，為直流電流添加了一個雙針插座。以這種方式，車輛（每個區域）上的獨特插座類型允許直流充電和交流充電。大多數 CharIN 歐洲成員以 IONITY 的名義成立合資企業，努力開發和部署歐洲范圍內的快速充電站網絡。

快速直流充電用例和配置

在前面的部分中，我們討論并了解了快速直流充電：

它是什么，不是什么。

功率和電壓水平以及充電時間。

現有標準和協議。

在本節中，討論將讓我們更深入地了解該技術，并展示 a) 部署實際直流充電器的配置和 b) 展示已成為 e- 基石的“引擎蓋下”關鍵電力電子設備流動性。不出所料，快速直流電動汽車充電是繼電動汽車本身之后電力電子領域創新的推動力之一，也是碳化硅 (SiC) 等新型電力技術采用速度最快的市場之一。

直流充電器的基礎設施配置

DC EVSE 部署的第一個也是最常見的用例包括端到端系統，從電網到 EV 的電池（圖 9）。這種用例現在在充電站中都可以找到，顯示幾個這樣的轉換器，也可以在獨立的單個充電點中找到。具有多個快速或超快速充電器的充電站需要高達 1MW（及以上）的高壓電網隔離變壓器，以便可靠、不間斷地輸送電力。

在內部，這些充電器由前端的 AC-DC 三相有源整流級組成，該級執行功率因數校正 (PFC) 并提高 DC 鏈路電壓水平。隨后，隔離式 DC-DC 轉換級根據 EV 中的電池需求調整輸出電壓和電流。

圖 9 顯示了系統模塊。為了最大限度地提高效率和尺寸，越來越需要更高電壓的系統。這既適用于中間總線電壓（PFC 和 DC-DC 轉換器之間），也適用于輸出電壓，因為 800V 及以上的 EV 電池變得司空見慣。

此類高功率和高電壓應用受益于SiC 模塊技術的優勢，該技術具有更高的擊穿電壓、更低的 RDSON 和動態損耗以及卓越的熱性能。損耗的降低、增加開關頻率的可能性和增強的散熱使得系統尺寸的減小成為可能，同時無源元件縮小并降低了冷卻要求。這組獨特的屬性使SiC 模塊技術高效、功率密集和緊湊的快速直流充電解決方案的關鍵推動因素，可以方便地部署和大規模擴展。在這種情況下，快速直流充電器的內部模塊化也值得注意，因為大多數系統具有每個 15 – 75 kW 之間的堆疊子單元（圖 9），這使得系統更加靈活和穩健，并簡化了生產。

圖 9. 快速直流電動汽車充電器架構圖（左）。具有堆疊多個功率級的高功率 DC EV 充電器（右）。

第二種 EVSE 部署配置將隨著電動汽車進一步滲透市場并搶占交通蛋糕的重要部分而獲得相關性，其中包括能量存儲系統 (ESS) 的集成。該用例還可能涉及可再生分布式能源 (DER) 的整合，主要是太陽能。這種類型的基礎設施將成為維持電動交通環境的關鍵支柱，充電站將成為消費的焦點并需要高峰值功率。例如，額定功率為 100kW 的 5 次充電會產生半兆瓦的峰值功率。僅靠電網幾乎不可能在多個充電站中維持如此高的峰值功率，而這些充電站將在全港蓬勃發展。為了能夠在一天中可靠地提供能量，能源將來自電網，并在低谷時段傳輸到高壓 ESS。此外，太陽能將支持儲存的能量池，以幫助維持能量水平[20]。

圖 10. 將儲能和太陽能集成到電動汽車充電站的可能框圖

這種配置將增加對不同架構的直流充電器的需求，其中整流 PFC 級和 DC-DC 級是獨立的單元。圖 10 顯示了此類安裝的示例。在前端，三相 PFC 升壓級 (AC-DC) 將電力從電網輸送到 DC BUS。在后端，由太陽能 PV 產生的這個 SC-DC 雙向轉換器提供的能量被饋入 EV 充電器（DC-DC 轉換器）或保存在 ESS 中。連接到車輛的降壓 DC-DC 轉換器會將其輸出電壓調整為 400V-1000V 的電池兼容電壓水平。

快速直流充電器中使用的常見拓撲結構和功率器件有哪些？

上一節介紹了快速 DCEV 充電基礎設施的標準配置，以及未來可能出現的另一種典型基礎設施。下面概述了當今快速 DCEV 充電器中使用的 AC-DC 和 DC-DC 的典型功率轉換器拓撲和功率器件。

有源整流三相 PFC 升壓拓撲

前端三相 PFC 升壓級可以在多種拓撲結構中實現，并且多個拓撲結構可能滿足相同的電氣要求。“揭開三相 PFC 拓撲的神秘面紗”中介紹了對每種拓撲的優缺點和操作的詳細概述和討論。圖 11 說明了快速直流電動汽車充電應用中的常見 PFC 架構。它們之間的第一個區別之一是雙向性。T-中性點鉗位 (T-NPC) 和 I-NPC 拓撲適用于雙向操作，通過用開關替換一些二極管。6 交換機架構是一個雙向本身。

圖 11. 用于快速直流電動汽車充電的典型三相功率因數校正 (PFC) 升壓拓撲。

T-NPC（左上）、6-switch（右上）和 I-NPC（下）

影響功率器件設計和額定電壓的另一個重要因素是架構中的層級數。6 開關拓撲是一種 2 級架構，通常使用 900 V 或 1200 V 開關實現，用于快速直流電動汽車充電器。在這里，碳化硅 MOSFET -具有低 RDS on (6-40mQ) 面積的模塊是首選解決方案，尤其是對于每塊 15 kW 以上的更高功率范圍。此類集成表現出比分立解決方案更出色的電源性能，可提高效率、簡化設計、減小整體系統尺寸并最大限度地提高可靠性。T-中性點鉗位 (T-NPC) 是使用1200 V 整流器的 3 電平拓撲（替換為雙向格式的開關），在中性路徑上使用 650 V 開關背對背。I-NPC 是一個 3 級架構，可以用 650 V 開關完全實現。帶有co-pack 二極管的650 V SiC MOSFET或 IGBT代表了這些 3 電平拓撲的出色替代解決方案。

圖 12. F1-2 PACK SiC MOSFET 模塊半橋。1200V,10mQ

DC-DC拓撲

在研究 DC-DC 轉換級時，采用了三種主要的隔離拓撲：全橋 LLC 諧振轉換器、全橋相移雙有源橋 (DAB) 零電壓轉換 (ZVT) 轉換器和全橋相位?shift ZVT 轉換器（圖 13、14 和 15）。

全橋 LLC 諧振

LLC 轉換器在初級側實現零電壓開關 (ZVS)，還在 - 諧振頻率和以下 - 次級側實現零電流開關 (ZCS)，從而在諧振頻率附近實現非常高的峰值效率。作為純調頻 (FM) 系統，當系統工作點偏離諧振頻率時，LLC 效率會降低，這可能是需要寬輸出電壓工作的情況。然而，先進的混合調制方案使當今的脈沖調制 (PWM) 與 FM 相結合，限制了最大頻率失控和高損耗。盡管如此，這些混合實現增加了有時已經很麻煩的 LLC 控制算法的復雜性。此外，并行 LLCs 轉換器的電流共享和同步并非易事。一般來說，當可能在相對較窄的電壓范圍內運行時，和/或當具備實現結合 FM 和 PWM 的高級控制策略的開發技能時，LLC 是一種難以超越的設計。它不僅可以提供最高的效率，而且從各個角度來看都是一個非常全面的解決方案。LLC 可以以雙向格式實現為 CLLC，這是另一種復雜的拓撲。

圖 13. 全橋 LLC 轉換器

具有次級同步整流拓撲的移相全橋 DAB 也是非常典型的。它們使用 PWM 工作，通常需要比 LLC 轉換器更簡單的控制。DAB 可以被認為是傳統全橋移相 ZVT 轉換器的演變，但在初級側帶有漏電感，這簡化了繁瑣的次級側整流并降低了次級開關或二極管上必要的擊穿電壓額定值。通過實現 ZVT，這些轉換器可以在很寬的輸出電壓范圍內提供穩定的高效率。對于支持 800 V 和 400 V 電池電壓水平的充電器來說，這是一個方便的因素。DAB 的 PWM 操作帶來了好處。首先，與 FM 系統相比，它傾向于保持轉換器的電磁干擾 (EMI) 頻譜更緊密。此外，系統在低負載下的行為更容易通過固定的開關頻率解決。DAB 采用同步整流實現，是一種雙向原生拓撲，是最通用的替代方案之一，也是適用于快速 EV 充電器的合適解決方案。

圖 14. 全橋相移 DAB ZVT 轉換器

對于單向操作，傳統的全橋相移 ZVT（圖 15）仍然是一種使用選項，但滲透率逐漸降低。這種拓撲的工作方式與 DAB 類似，但位于次級側的電感器在整流行為方面引入了顯著差異。電感器在二極管上設置高反向電壓，該電壓與占空比成正比或成反比，因此，根據工作條件，二極管上的反向電壓可能會超過輸出電壓的兩到三倍。在高輸出電壓系統（如 EV 充電器）中解決這種情況可能具有挑戰性，并且通常多個次級繞組（具有較低的輸出電壓）串聯連接。這樣的配置不是那么方便，

SiC - 模塊代表了上述 DC-DC 功率轉換級中全橋的非常合適和通用的解決方案，從 15kW 開始。啟用的更高頻率有助于縮小變壓器和電感器尺寸，從而縮小完整的解決方案外形尺寸。

圖 15. 全橋相移 ZVT 轉換器

拓撲變化

所討論的拓撲存在多種變體，帶來了額外的優勢和折衷。圖 16 顯示了用于快速 EV 充電的全橋 LLC 轉換器的常見替代方案。在相移中，開關低于輸入電壓的一半，使用 600V 和 650V 擊穿電壓器件。650V SiCMOSFET、650V SuperFET 3 快速恢復 (FR) MOSFET和650V FS4 IGBT將有助于滿足不同的系統要求。同樣，初級側的二極管和整流器需要 650V 的阻斷電壓額定值。這些 3 電平架構允許單極開關，這有助于減少峰值電流和電流紋波，從而使變壓器更小。與具有較少電源開關的 2 級版本相比，此拓撲的主要缺點之一是控制算法所需的額外復雜性級別。雙有源橋以及 可以輕松地在初級側和次級側并聯或堆疊，以最適合快速電動汽車充電器的電流和電壓需求。

圖 16. 3 級全橋 LLC。

這種變化堆疊在初級側（只有一半的輸入電壓施加到每個變壓器）并在次級側并聯。

二次側整流

關于次級整流階段，可以使用多種解決方案，如圖 15 所示，并且所有解決方案都可以用于不同的拓撲結構。對于 400 V 和 800 V 電池電平和全橋整流，650V 和 1200V 碳化硅肖特基二極管通常會帶來獨特的性能成本比解決方案。由于它們的零反向恢復特性，與硅基替代品相比，這些器件顯著提高了整流性能和效率，大大降低了損耗和整流級的復雜性。Hyperfast、UltraFast 和 Stealth 等硅基二極管可以作為成本非常有限的項目的替代方案，但會犧牲性能和復雜性。帶有中心抽頭整流的解決方案（圖 15）不適用于高壓輸出整流級。與全橋整流不同，在全橋整流中，二極管的標準反向電壓等于輸出電壓，在中心抽頭配置中，二極管可承受該值的兩倍。常規全橋移相轉換器（次級側電感），如前所述，在兩種整流方法（全橋或中心抽頭整流）中都需要更高的擊穿電壓二極管。為了克服傳統全橋移相轉換器中對 1200 V 或 1700 V 額定二極管的需求，多個輸出將串聯連接。

其他重要的設計注意事項

除了電源轉換器中的拓撲和開關器件之外，在開發快速 EV 充電器時，還有其他重要的方面需要考慮，尤其是在使用高頻工作的SiC 開關時。

柵極驅動系統：

在所有拓撲中，驅動系統仍然是快速直流電動汽車充電器的一個關鍵方面，對系統性能有直接影響。

隔離：

孤立地處理該主題下的首要考慮因素之一。鑒于針對快速直流電動汽車充電器討論的高功率和電壓，高側驅動器必須進行電流隔離。對于低邊對應物，雖然在安全方面并不總是絕對必要的，但通常的做法是使用相同的柵極驅動器系統和電路如在高端。這種方法為解決方案實施和系統健壯性帶來了多重好處。一方面，它有利于同一半橋上的開關設備之間的延遲匹配。這簡化了 PWM 序列和死區時間的控制和實現，以防止直通事件。此外，隔離驅動器通過最大化其共模瞬態抗擾度 (CMTI) 來增強系統的耐用性，這在使用高 dV/dt 驅動的快速切換寬帶隙技術（如SiC）的系統中尤為重要.此處還要說明的重要一點是，采用 Kelvin 連接的電源開關將需要浮動或電流隔離驅動器（在高端和低端）才能獲得配置的好處，因為它將顯著降低損耗和提高傳播次數。

片上保護和特性：

柵極驅動器的另一個關鍵考慮因素是功能（超越電流隔離）和片上保護的集成。根據系統要求和開關類型，可能需要過流保護 ('DESAT')（IGBT和SiC MOSFET 的典型特征）、米勒鉗位（避免誤導通）等保護措施。在封裝內包含這些或其他必要功能可實現緊湊的系統并最大限度地減少布局中的寄生電感，這是采用SiC 的高開關頻率系統的基本要求.內置保護在數字控制系統中也非常方便，可提供機載保護。關于系統效率，柵極驅動器的灌電流和拉電流能力對于通過對寄生柵極電容進行快速充電和放電來實現快速開關轉換至關重要。當使用SiC 技術時，這在高功率應用中特別重要，因為與基于 Si 的IGBT或SJ MOSFET相比，這可以實現更快的轉換。

具有 3.5kV 和 5kV 額定值的電隔離柵極驅動器系列NCD57XXX 和 NCD51XXX為快速電動汽車充電器的開發帶來了設計靈活性和系統可靠性，集成了多種功能和片內保護，并具有高達 9A 的高驅動電流能力。該產品組合包括NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x、NCP51152/7 等單通道驅動器和NCP51561、NCP51563和NCD57252/256等雙通道驅動器，以適應所有用例。

圖 17. 電流隔離單通道和雙通道柵極驅動器框圖

驅動器供應：

與柵極驅動器相鄰的一個主題是驅動它們所需的隔離電源。+20V-5V 偏置電壓可實現SiC 開關的最佳性能，而 IGBT 通常需要 +15V/0V 或-15V。有關更多詳細信息，請參見“Gen11200VSiCMOSFET 和模塊：特性和驅動建議”。同樣，對于柵極驅動器，電源需要緊湊和堅固，以確保在所有工作條件下穩定的電壓軌。LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC等NCV3064開關穩壓器周圍的電源有助于滿足這些需求。

保護：

電動汽車快速直流充電的另一個重要考慮因素是系統中必要的安全保護，尤其是法規強制要求的安全保護。強制保護是針對車外接地故障電流 (GFC)，以防止對人體造成危險電擊的風險。特別是，充電電路中斷裝置 (CCID) 是專門為 EVCharging 開發的，IEC61851-1（前面討論過）和 UL 2231-1/2 標準分別規范了其在歐洲/亞洲和北美的實施。該FAN4147和NCS37014GFC滅弧解決這些法規的要求，并提供了一個現成的，現成的解決方案，以開發符合安全EVSE。

輔助電源：

輔助電源裝置 (PSU) 在電力系統中無處不在，快速直流 EVCharging也不例外。隔離式反激拓撲是提供低壓系統所需的典型 10-40W 功率的方便可靠的選擇。特別是對于快速直流電動汽車充電，直流母線的電壓水平是影響整個系統的主要因素之一。趨勢是增加這些水平，以減少給定功率水平的峰值電流并提高效率。如今，高達 800 V（并不斷增加）的直流總線電壓水平很常見，并非所有傳統解決方案都適用于 EV 充電。在這里，圍繞NCP1362準諧振谷底開關初級側或NCP1252開發的 PSU和NCP12700二次側控制器可以幫助滿足這些需求。在開關方面，具有高 RDS on (160mOhms) 的 1200V SiC MOSFET正在迅速被采用，因為它們具有出色的性能成本比和900 VDC 系統的最佳解決方案。

一切都歸于平靜

在本博客的第一部分中，我們已經看到了電動汽車市場的增長是如何加速的，以及為什么 隨著越來越多的電動汽車上路，快速直流充電需要（并將）保持牽引力。

在過去幾個月的大部分時間里，指向這個方向的新聞如雨后春筍般涌現，其中最后一個是美國總統宣布到 2030 年 500.000 個直流充電器網絡計劃［21］。最終目標是推動電動汽車成為主流，擺脫基于 ICE 的交通方式并應對氣候變化。

快速和超快速直流充電器 是電動汽車的重要組成部分，也是完善生態系統不可或缺的元素，提供低功率交流充電替代方案，可在允許較長時間充電的家庭中使用。作為一個新興且快速發展的市場，快速直流電動汽車充電器的需求和用例不斷升級，留下了需要各種解決方案和不同優化的空間。然而，所有這些的共同點將是增加更高的功率、電壓水平和效率。

此外，隨著此類基礎設施的大規模推出，預計對尺寸、重量、成本和可靠性的限制會更強，競爭格局將變得更加嚴峻，并且安裝的投資回報率將最大化。

就拿現在的事實是 SiC功率技術 正在成熟并且其價格正在達到具有吸引力的水平，這為先進的 SiC 功率集成模塊技術留下了蓬勃發展的空間。更高的效率和卓越的熱性能，使充電系統更輕、更小且成本優化，可提供高達 400kW 的功率。

除了SiC 技術和電源模塊的固有優勢之外 ，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動汽車的基石。安森美半導體不僅是SiC 技術 和功率集成模塊的領先者 ，而且在質量上也有所不同。

成為為數不多的具有完整SiC供應鏈集成的供應商之一， 安森美半導體確保我們SiC 分立 和模塊 產品的最高質量和可靠性標準，以及卓越的運營和靈活性。

編輯：hfy