電動汽車直流充電樁設計指南完整版來了，全干貨！

目前，全球已推出或即將推出 20 多款配備 800 V 系統(tǒng)的車型，提供超過350kW 充電功率的快速充電站已廣泛普及。預計充電模塊將朝著更高功率和更高效率的趨勢發(fā)展。通過采用合適的功率元件、拓撲結構以及堅固耐用的控制器，我們將擁有更多大功率充電站，在解決用戶續(xù)航焦慮的同時減少碳排放。本文將介紹電動汽車直流充電樁設計的解決方案。

這是一種常見的兩電平電動汽車充電電路，由一個三相半橋功率級和第二個雙有源橋（DAB） 功率級組成。該系統(tǒng)結構簡單，運行效率高，易于控制。它采用相移調制，在高負載下實現(xiàn)零電壓開關（ZVS），同時在 200V 至 1000V 的寬充電電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)效率最大化。在 25kW 電動汽車直流充電樁的設計中，使用了 7 個半橋功率模塊。

安森美(onsemi)的全碳化硅（SiC）半橋功率集成模塊（PIM）非常適合電動汽車直流充電樁的設計，它具備易于安裝的封裝和規(guī)格， 極大降低了熱阻和寄生電感， 有助于實現(xiàn)更高的系統(tǒng)運行效率和功率密度

EliteSiC，全碳化硅功率集成模塊， M3S NXH004P120M3F2，半橋， 1200V， 4mΩ

■ 內(nèi)置全新第三代碳化硅芯片

■ 出色的品質因數(shù)（FOM） = [RDS(ON) × EOSS]

■ 采用 HPS 或 DBC 基板， 低熱阻

■ 預涂導熱界面材料

轉換器由使用寬禁帶元件的電橋組成，存在低邊 MOSFET 自導通的風險。主要的原因包括米勒電容、柵極電阻和高 dv/dt。解決方案之一是使用提供負柵極電壓的柵極驅動器。

NCP51752 是一款單通道隔離柵極驅動器， 拉電流和灌電流峰值分別為 4.5 A/9 A。它可為快速開關應用提供短且匹配的傳播延遲。NCP51752 最重要的特點是創(chuàng)新的嵌入式負偏置軌機制（-2/-3/-4/-5 V）。

在大功率狀態(tài)下工作時，監(jiān)控功率模塊和其他關鍵元件的狀態(tài)至關重要，尤其是它們的溫度。安森美 EliteSiC 全碳化硅（SiC）功率集成模塊（PIM）集成了負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測，并迅速切換工作模式或激活冷卻器件。同時，為了防止短路和高電流造成的損壞， 需要將電流測量電路放置在電橋上。這種解決方案成本效益高，與柵極驅動器中的去飽和（DESAT）保護相比，提供了更好的靈活性。

安森美提供多種信號調節(jié)和控制產(chǎn)品。NCS2007x 系列運算放大器提供軌到軌輸出操作，3MHz 帶寬，并提供單路、雙路和四路配置。其多種緊湊的封裝和 2.7V 至 36V 的寬供電電壓范圍，使其適用于各種應用。為實現(xiàn)高精度電流監(jiān)控，推薦使用 NCS21x，它具有低供電電壓和低偏置的零漂移架構，可最大化在分流電阻上實現(xiàn)電流檢測，滿量程壓降可低至10mV。

在 25 kW 電動汽車直流充電樁的輔助電源設計中， NCV890100 用于為部分低壓元件供電。NCV890100 是一款固定頻率、單片式降壓開關穩(wěn)壓器。它適用于要求低噪聲和小外形尺寸的系統(tǒng)。NCV890100 能夠以高于調幅（AM） 波段的恒定開關頻率將典型的 4.5 V至 18 V 輸入電壓轉換為低至 3.3 V 的輸出電壓，從而無需昂貴的濾波器和電磁干擾應對方法。

NCP3064 是另一款適用于升壓和降壓應用的 DC-DC 穩(wěn)壓器，其設計特點在于最小化外部元件的數(shù)量。這兩款產(chǎn)品都集成了熱關斷保護功能（TSD）。

EliteSiC， 1200 V MOSFET， M3S 系列新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列：

■ 針對高溫運行進行了優(yōu)化

■ 改善寄生電容，適合高頻運行

■ RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*

■ 超低柵極電荷 (QG(TOT))=137 nC*

■ 高速開關，具有低電容特性(COSS =146 pF)*

■ 提供開爾文源極連接

場截止第七代， IGBT， 1200 V：

■ 新型 1200V 溝槽型場截止第七代 IGBT 系列

■ 溝槽窄臺面與質子注入多重緩沖技術

■ 提供快速開關與低飽和壓降 VCE(SAT)類型

■ 改進寄生電容，適用于高頻運行

■ 通用封裝

■ 目標應用 - 能源基礎設施、工廠自動化

EliteSiC， 全碳化硅功率集成模塊， 900V/1200V：

■ 可用配置：維也納，半橋，全橋

■ 低熱阻

■ 內(nèi)置 NTC 熱敏電阻

■ 在更高電壓下改善了 RDS(ON)

■ 更高效、更高功率密度

■ 靈活的高可靠性熱接口解決方案

如何選擇柵極驅動器

電流驅動能力：開關的導通和關斷實際上是輸入輸出電容器的充放電過程。更高的灌電流和拉電流能力意味著更快的導通和關斷速度，最終帶來更小的開關損耗。

故障檢測：柵極驅動器不僅用于驅動開關，還能保護開關甚至整個系統(tǒng)。例如，欠壓鎖定（UVLO）可確保柵極驅動器的電源處于良好狀態(tài)，去飽和（DESAT）用于檢測短路，有源米勒箝位可防止在快速開關系統(tǒng)中出現(xiàn)誤導通。

抗擾性：共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）是指柵極驅動器輸入和輸出電路之間共模電壓上升或下降的最大容許速率，它決定了該產(chǎn)品是否可用于快速開關系統(tǒng)。大功率系統(tǒng)以非?？斓淖兓蔬\行，例如大于 100 V/ns 時會產(chǎn)生非常大的電壓瞬變。隔離柵極驅動器需要能夠承受高于額定電平的 CMTI，以防止低壓電路側產(chǎn)生噪聲，并防止隔離勢壘失效。

傳播延遲：傳播延遲是指從輸入 10%到輸出 90%的時間延遲（供應商之間可能有所不同）。這種延遲會影響器件之間的開關時序，這在高頻應用中至關重要。設置死區(qū)時間可以避免擊穿乃至進一步損壞，死區(qū)時間設置得越少，開關損耗就會越小。

兼容性：在新項目中，如果沒有重大設計變更，引腳對引腳的替換總是首選。選擇規(guī)格和封裝相似的柵極驅動器有利于快速設計。

當然，并非每一點都需要遵循。例如，與 IGBT 不同， 碳化硅 MOSFET 的輸出特性更像可變電阻，沒有飽和區(qū)，這意味著普通的去飽和檢測原理行不通。作為解決方案之一，通常使用電流傳感器來檢測過流，或使用溫度傳感器來檢測異常溫度。

碳化硅（SiC） 隔離柵極驅動器NCP51561：

■ 4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

■ 36 ns 傳播延遲， 8 ns 最大延遲匹配

■ 5 kV 電隔離， CMTI≥200 V/ns

■ 雙通道設計

■ 8 毫米爬電距離的 SOIC-16WB 封裝

隔離型大電流柵極驅動器NCD57080：

■ 高電流峰值輸出（6.5 A/6.5 A）

■ 欠壓鎖定（UVLO） ， 有源米勒箝位

■ 3.5 kV 電隔離， CMTI≥100 V/ns

■ 典型 60 ns 傳播延遲

■ 單通道設計

■ 8 毫米爬電距離的 SOIC-8WB 封裝

常用 AC-DC 功率因數(shù)校正（PFC）拓撲結構

有源前端：

■ 無橋接導通損耗

■ 電路簡單，易于控制，元件少

■ 開關需要耐受全母線電壓和尖峰電壓

■ 寬禁帶（WBG）元件更受青睞，以降低總諧波失真（THD）

■ 減小電感器尺寸

■ 允許雙向轉換

維也納整流器和 T-NPC：

■ 三電平配置降低了總諧波失真（THD）和開關上的電壓應力

■ 易于控制，每相只需一個驅動信號即可驅動背靠背開關

■ 開關的母線電壓減半

■ 橋接引起的導通損耗

■ 通過全開關替換實現(xiàn)雙向轉換

交錯并聯(lián) Boost 電路，單相：

■ 減小電感器尺寸、電流應力和 EMI

■ 易于控制，電路簡單， 雙倍/三倍元件

■ 易于提高輸出功率

■ 橋接引起的導通損耗 .

■ 僅單向運行

圖騰柱 PFC，單相：

■ 提高效率、 減少電磁干擾（EMI）、 降低總諧波失真（THD），減少每個導通周期的開關數(shù)量

■ 開關數(shù)量少，功率密度高 

■ 需要寬禁帶元件以減少恢復損耗

■ 零交越點噪聲、共模噪聲

■ 支持雙向轉換

DC-DC 轉換的常用拓撲結構

LLC 諧振轉換器：

■ 頻率調制， 諧振轉換器實現(xiàn)軟開關以提高效率

■ 初級側零電壓開關（ZVS） ， 次級側零電流開關（ZCS）

■ 集成電感器以節(jié)省空間

■ 復雜的諧振腔設計與控制

■ 良好的 EMI 和輸出紋波

■ 需要額外的 DC-DC 轉換以達到寬輸出范圍，以確保高效

■ 在高頻/高電壓操作中，首選寬禁帶元件。

■ 僅單向運行

雙有源橋變換器：

■ 運行相移調制以實現(xiàn)高負載下的零電壓開關（ZVS）

■ 兩級電流不匹配導致的意外損耗

■ 相移、變壓器、頻率等方面的復雜設計以達到預期效率

■ 在高頻/高壓運行中，首選寬禁帶元件

■ 在大功率情況下減少輸出電流紋波以減小輸出電容器尺寸

■ 隔離轉換以確保安全

CLLC 諧振變換器：

■ 在 LLC 的基礎上增加一個電容器以實現(xiàn)雙向轉換

■ 復雜的調頻和無源元件選擇，以實現(xiàn)雙向高效率 .

■ 需要額外的 DC-DC 轉換以在確保高效的情況下達到寬輸出范圍

■ 全負載范圍內(nèi)效率優(yōu)于雙有源橋（DAB）變換器

■ 隔離轉換以確保安全

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