【導讀】充電時(shí)間是消費者和企業(yè)評估購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē) (EV)的一個(gè)主要考慮因素。為了縮短充電時(shí)間，業(yè)界正轉向采用直流充電樁 (DCFC) 。DCFC 繞過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器，直接向電池提供更高的功率，從而大大縮短充電時(shí)間。
充電時(shí)間是消費者和企業(yè)評估購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē) (EV)的一個(gè)主要考慮因素。為了縮短充電時(shí)間，業(yè)界正轉向采用直流充電樁 (DCFC) 。DCFC 繞過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器，直接向電池提供更高的功率，從而大大縮短充電時(shí)間。
為了實(shí)現更快的充電速度、適配更高的電動(dòng)汽車(chē)電池電壓并提高整體能效，DCFC 必須在更高的電壓和功率水平下運行。這給 OEM 帶來(lái)了挑戰，必須設計出一種能夠優(yōu)化效率，同時(shí)不影響可靠性和安全性的架構。
DCFC 集成了多種器件，包括用于輔助電源、感測、電源管理、連接和通信的器件。另外，為了滿(mǎn)足各種電動(dòng)汽車(chē)不斷發(fā)展的充電需求，必須采用靈活的制造方法，這也使設計變得更加復雜。
圖 1. DCFC 中的主要模塊概覽
快速和超快速充電
圖 2 顯示了交流充電和直流充電之間的差異。對于交流充電（圖 2 左側），車(chē)載充電器 (OBC) 插入標準交流插座。OBC 將交流電轉換為適當的直流電為電池充電。對于直流充電（圖 2 右側），充電樁直接給電池充電。
圖 2.交流充電和直流充電概念圖。資料來(lái)源：Yolé Development
目前電動(dòng)汽車(chē)的 OBC 依賴(lài)交流充電，最大額定功率為 22 kW。直流充電繞過(guò)了 OBC，直接向電池輸送直流電，因此能提供高得多的功率，從 50 kW 到 400 kW 以上甚至更高。
由于這個(gè)原因，DCFC 常被稱(chēng)為“快速”或“超快速”充電樁。如此高的充電速度和更大的便利性為電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)了更多的應用和用例。例如，電動(dòng)汽車(chē)如果需要八小時(shí)才能充滿(mǎn)電，是不適合長(cháng)途駕駛的，但借助超快速充電樁，電動(dòng)汽車(chē)可以在短暫的休息時(shí)間內大量充電，增加車(chē)輛的續航里程，使其更加適合日常使用。因此，從現在到 2030 年，快速直流充電樁的復合年增長(cháng)率預計將超過(guò) 30%（來(lái)源：Yolé Development）。
碳化硅 (SiC) 和功率集成模塊 (PIM) 技術(shù)的進(jìn)步，是促進(jìn)向更快速充電轉變的關(guān)鍵驅動(dòng)力。SiC 使 DCFC 能夠以更高的頻率運行（因而效率也更高），同時(shí)以更快的速度提供更多功率。PIM 使 OEM 能夠快速將先進(jìn)的技術(shù)集成到緊湊、輕便的設備中，并實(shí)現出色的熱管理、可靠性和可制造性，從而加快 SiC 技術(shù)的普及。
DCFC 剖析
如圖 3 所示，直流充電樁主要包括兩級：AC-DC 級和后續 DC-DC 級。AC-DC 級將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉換為直流電，而第二級確保以適合電池所需的電壓和電流水平提供功率。
AC/DC |
圖 3. DCFC 的架構
對于商業(yè)應用，3 級充電樁需要使用三相電源（圖 4），可以在短短 30 分鐘內增加 100 多英里的續航里程。在將電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)引入運輸和物流等應用方面，這些超快速充電樁將發(fā)揮重要作用。
圖 4. 單相電網(wǎng)的功率流（左），三相電網(wǎng)的功率流（右）
圖 5. 快速直流充電樁的架構
3 級 DCFC 的前端由三相功率因數校正 (PFC) 升壓級組成，可以是單向或雙向；升壓級可以采用各種拓撲（二電平或三電平）實(shí)現。PFC 級接受電網(wǎng)電壓（400 EU、480 US），并將其升壓至 700 至 1000 V。對于下一代充電樁，業(yè)界已經(jīng)瞄準了更高電壓。
在升壓級之后，DC?DC 隔離級將總線(xiàn)電壓轉換為所需的輸出電壓。此電壓需要與電動(dòng)汽車(chē)電池的充電曲線(xiàn)保持一致。因此，DC-DC 輸出可能需要在 150 V 至 1500 V 之間擺動(dòng)，具體電壓取決于電池和所處的充電階段。轉換器通常針對特定電壓水平（常見(jiàn)為 400 V 或 800 V）進(jìn)行優(yōu)化。為了實(shí)現更高的功率水平，DCFC 會(huì )將多個(gè)功率模塊（圖 6）堆疊起來(lái)并聯(lián)運行。
為了在此類(lèi)高電壓下實(shí)現更高的效率，業(yè)界正從分立式、IGBT 和混合方案轉向 SiC 功率集成模塊 (PIM)。（圖 7）除 PIM 之外，DCFC 還需要多種功率器件，包括柵極驅動(dòng)器 IC、數字隔離器、電源 IC（LDO、SMPS 等）和電流檢測。
圖 6. 300 kW DCFC 中的 12 x 25 kW 構建模塊
圖 7. 機電設計比較
通信和連接也是 DCFC 設計的關(guān)鍵方面。堆疊的模塊需要能夠與充電樁控制器通信，車(chē)輛和充電樁必須就充電序列進(jìn)行通信（CAN 或 PLC）。獨立的快速直流充電樁還需要能夠處理充電相關(guān)的支付。最后，充電樁需要管理自身的維護、軟件升級等（例如通過(guò)藍牙低功耗、Wi-Fi 4、LTE）。實(shí)際標準由所使用的直流充電協(xié)議規定，例如 IEC?61851 / SAE1772、GB/T、CHAdeMO、組合充電系統 (CCS) 或特斯拉超級充電樁（圖 8）。
連接器類(lèi)型
圖 8. 交流和直流快速充電樁的架構
DCFC 關(guān)鍵設計考慮因素
設計 DCFC 時(shí)，有多個(gè)關(guān)鍵因素需要考慮，這些因素會(huì )影響架構設計和器件選擇：
目標效率：
確定應優(yōu)化效率的電壓和功率范圍。充電樁在充電期間在不同的電平運行，因此系統應針對對電力傳輸效率影響最大的電平進(jìn)行優(yōu)化。
分立式設計還是功率集成模塊 (PIM)：
分立式設計的靈活性更大，但開(kāi)發(fā)過(guò)程也更復雜（圖 7）。對于許多應用而言，模塊在效率方面的諸多優(yōu)勢是分立式設計難以企及的。例如，模塊將多個(gè)功率器件集成在單個(gè)緊湊的封裝中，簡(jiǎn)化了機械組裝，優(yōu)化了熱管理，提高了可靠性，并減少了電壓尖峰和高頻 EMI。
架構/拓撲結構：
所選擇的拓撲結構（即二電平還是三電平）以及充電樁需要單向運行還是雙向運行，都會(huì )影響器件的選擇。實(shí)現直流充電樁 PFC 和 DC-DC 級的拓撲結構選項有許多。由于功率和電壓水平非常高，許多 OEM 的首選架構一般是三級功率因數校正 (PFC)。PFC 設計最常用的拓撲結構有三開(kāi)關(guān) Vienna（單向）、NPC、A-NPC、T-NPC（雙向替換二極管）和六開(kāi)關(guān)（雙向） 。DC?DC 級通常以全橋或相移 LLC 及其變體實(shí)現，并采用雙有源橋 (DAB) 架構支持雙向拓撲結構。這些拓撲結構包括二電平和三電平系統，它們分別采用 600 至 650 V 或 900 至 1200 V 開(kāi)關(guān)和二極管。（進(jìn)一步了解拓撲結構：快速直流電動(dòng)汽車(chē)充電：系統中使用的常見(jiàn)拓撲和功率器件）
約束條件：
應注意物理系統約束，包括尺寸、重量、成本和其他需要考慮的限制因素。例如，如果尺寸和重量很重要，那么選擇基于 SiC 的模塊將能降低總體布線(xiàn)要求，減小系統尺寸，并減輕車(chē)重。
熱管理：
管理散熱對于維持效率、可靠性和系統使用壽命至關(guān)重要。使用 SiC 器件以更高頻率運行，可以提高功率密度，提升效率，并減少需要管理的熱量。此外，許多模塊還針對使用極低熱阻材料的熱傳遞進(jìn)行了優(yōu)化。
仿真模型：
擁有器件和模塊的精確模型可以大大簡(jiǎn)化和加速設計過(guò)程，尤其是在權衡多種設計方案時(shí)。
通信：
明確特定應用需要哪些標準和協(xié)議。確保所選的供應商和產(chǎn)品系列支持所有可能需要納入的標準，以支持當今和未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)。
保護：
根據法規要求，必須配備接地故障斷路 (GFI) 功能。其他功能（如浪涌電流和過(guò)壓保護）也至關(guān)重要。系統中如何集成這些功能（即單獨的電路、功率級的一部分、集成在模塊上等），將會(huì )影響對其他系統約束條件的優(yōu)化。
先進(jìn)的充電架構
理想情況下，電動(dòng)汽車(chē)在非高峰時(shí)段充電。這會(huì )大大降低電力成本，并減少高峰時(shí)段電網(wǎng)的負荷，避免造成停電。
為了實(shí)現這一目標，直流充電樁需要與儲能系統 (ESS) 和太陽(yáng)能發(fā)電系統集成。ESS 在非高峰時(shí)段充電，儲存電力以供白天使用。通過(guò)安裝太陽(yáng)能電池板以在白天發(fā)電，可以減少對 ESS 電力的消耗，從而減輕 ESS 的負荷。在這種配置中，DC/DC 轉換器可以連接到高壓總線(xiàn)來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)充電。
圖 9. 由可再生太陽(yáng)能電池板和儲能設施供電的快速超級充電樁
安森美(onsemi)致力于在供應鏈的所有層面實(shí)現可持續發(fā)展。對于希望采用此類(lèi)先進(jìn)架構的 OEM，安森美可以幫助他們以高效、安全、可靠、可持續的方式集成合適的技術(shù)。
快速和超快速直流充電是電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)?？焖僦绷鞒潆姌赌軌驅⒊潆姇r(shí)間縮短至不到一小時(shí)，這將為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)辟一系列全新的應用領(lǐng)域和使用場(chǎng)景。
總結
通過(guò)了解影響器件選擇的關(guān)鍵設計考慮因素，工程師可以?xún)?yōu)化大功率直流充電樁架構，實(shí)現更高的效率、可靠性和性能。隨著(zhù)碳化硅和功率集成模塊等技術(shù)的進(jìn)步，工程師可以更快速地評估和設計復雜系統，而無(wú)需作出妥協(xié)。由此，OEM 可以迅速且經(jīng)濟高效地滿(mǎn)足市場(chǎng)的充電需求。而且，OEM 可以與合適的合作伙伴合作，通過(guò)集成儲能系統等新技術(shù)來(lái)創(chuàng )建更具可持續性的基礎設施，從而不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量和實(shí)用性。
雖然 IGBT 和混合實(shí)現方案仍在使用，但基于 SiC 的功率模塊正迅速成為 DCFC 充電應用的首選方案。安森美提供專(zhuān)用于 DCFC 的現成 PIM 系列，其具有 EliteSiC 900 V 和 1200 V 擊穿電壓額定值。這些模塊支持半橋和全橋拓撲結構，采用 F1 和 F2 封裝，具有極低的 RDSons（3 至 40 mΩ，具體取決于配置）。此外，安森美正在開(kāi)發(fā)多種使用 M3S 技術(shù)平臺的新的 SiC PIM 產(chǎn)品，以進(jìn)一步為設計人員的系統設計提供更大的靈活性。
安森美還提供豐富的參考設計和硬件，配備專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)家應用團隊，為全球電動(dòng)汽車(chē)充電系統設計提供 SiC 驅動(dòng)器優(yōu)化和系統方案專(zhuān)業(yè)知識，讓設計人員可以快速評估驅動(dòng)器并加速應用開(kāi)發(fā)。
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