推動(dòng)更快、更安全、更高效EV充電器的技術(shù)

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)（EV）數量的增加，對創(chuàng )建更加節能的充電基礎設施系統的需求也在日益增長(cháng)，如此便可更快地為車(chē)輛充電。與先前的電動(dòng)汽車(chē)相比，新型電動(dòng)汽車(chē)具有更高的行駛里程和更大的電池容量，因此需要開(kāi)發(fā)快速直流充電解決方案以滿(mǎn)足快速充電要求。150 kW或200 kW的充電站約需要30分鐘才能將電動(dòng)汽車(chē)充電至80％，行駛大約250 km。根據聯(lián)合充電系統和Charge de Move標準， 快速DC充電站 可提供高達400 kW的功率。

今天，我們將研究驅動(dòng)更快、更安全、更高效的充電器的半導體技術(shù)：

●   高壓半導體開(kāi)關(guān)（絕緣柵雙極晶體管[IGBT]和碳化硅[SiC]）正在驅動(dòng)系統中的總線(xiàn)電壓（800 V或1,000 V）。隨著(zhù)系統電壓的升高，對隔離技術(shù)的要求也不斷提高，以確保整體安全性和可靠性。

●   隨著(zhù)功率轉換器能夠實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)頻率（幾百赫茲至幾兆赫茲），在這些高頻下工作會(huì )減小電路中使用的磁性組件和其他無(wú)源器件的尺寸，進(jìn)而降低系統成本并提高總體功率密度。因此，需要高帶寬電流和電壓感測來(lái)精確地控制和保護數字功率級。

●   更高的效率要求使用多級復雜功率級，反之又需要高壓隔離柵極驅動(dòng)器來(lái)有效切換這些功率級并減少總體開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)還包括增強的隔離和短路保護功能。

讓我們更深入地研究這些技術(shù)推動(dòng)因素：

隔離技術(shù)

安全合規性在EV充電器中至關(guān)重要，因為它們直接與公用電網(wǎng)連接。為了確保操作員安全、保護處理器免受高壓電源轉換器系統的損壞以及防止接地回路和不同通信子系統之間的電位差，隔離是必不可少的。具有次級側控制架構的功率控制器不僅需在功率級（通過(guò)隔離變壓器）進(jìn)行隔離，還需在控制器驅動(dòng)電路和相關(guān)的信號調節電路中進(jìn)行隔離。

由電源轉換器的開(kāi)關(guān)操作引起的噪聲干擾會(huì )對系統性能產(chǎn)生負面影響。例如，當電源轉換器開(kāi)關(guān)的瞬變發(fā)生時(shí)，高壓擺率會(huì )在信號路徑上引起瞬變電壓，并產(chǎn)生共模電壓瞬變，這需要具有高共模瞬變抗擾度（CMTI）的隔離器來(lái)維持信號完整性。

電動(dòng)汽車(chē)充電站中直流母線(xiàn)電壓的增加也顯示出加強隔離對于操作人員安全性和可靠性的重要性。根據工作電壓，可分為三種基本隔離類(lèi)別：功能隔離、基本隔離和加強隔離。功能隔離（也稱(chēng)為工作隔離）不能保護或隔離電擊，但產(chǎn)品必須具備此功能才能運行?；靖綦x是可提供基本防震保護的單層絕緣。增強隔離是一種可提供相當于雙重隔離電擊保護的單隔離系統。

半導體可使用多種隔離技術(shù)：

●   光學(xué)隔離使用LED光線(xiàn)在透明的非導電絕緣層上傳輸，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有高電氣隔離值和低成本。但光隔離還具有較長(cháng)的傳播時(shí)間、較低的抗噪性、較高的靜態(tài)電流以及隨溫度和老化而迅速劣化的絕緣性能。這些限制將光隔離技術(shù)限制在對成本敏感的低速電源轉換器上。

●   磁隔離通過(guò)變壓器線(xiàn)圈設計使用耦合電感傳遞信號，并在高頻下提供高隔離度。與光學(xué)技術(shù)相比，其具有更佳的傳播時(shí)間，但也具有較高電磁噪聲的問(wèn)題、較低的抗噪性以及隨溫度和濕度而導致的絕緣劣化。

●   電容隔離使用變化的電場(chǎng)通過(guò)電容傳輸能量。該技術(shù)的優(yōu)勢在于它能夠高速運行，且其封裝相對較小。它具有較高的可靠性，在整個(gè)溫度范圍內具有最佳的絕緣穩定性，以及較高的光耦的共模抑制比和低輻射。

圖1所示為 電容隔離 。德州儀器在其隔離式柵極驅動(dòng)器、放大器和數字隔離器中使用了電容隔離。

圖1 電容隔離

高帶寬電流和電壓感測

EV充電器應用將電流和電壓感測用于三個(gè)主要功能：監視、保護和控制。在電動(dòng)汽車(chē)充電器中，來(lái)自電網(wǎng)的能量轉換通常分為兩級。功率因數校正級將電網(wǎng)電壓轉換為穩定的直流母線(xiàn)電壓。然后，DC/DC級將DC電壓轉換為適合EV電池組的電壓。

圖2所示為EV充電站的框圖，其中電流檢測位置標記為A，電壓檢測位置標記為V。

功率級中SiC和氮化鎵（GaN）開(kāi)關(guān)的使用日益增加，提高了工作頻率（數百千赫茲至幾兆赫茲），同時(shí)提供了更高的效率和更高的功率密度。這些功率級需要精確感測快速開(kāi)關(guān)電流確?？刂骗h(huán)路可靠運行，從而確保轉換器穩定運行?？焖夙憫獣r(shí)間、整個(gè)溫度范圍內的線(xiàn)性運行以及精確的電流和電壓感測對于所有具有高壓級的高功率系統都至關(guān)重要。

電流檢測的半導體技術(shù)可大致分為直接和間接感測方法。直接感測方法包括通過(guò)采用隔離放大器或隔離Σ-Δ轉換器進(jìn)行基于分流電阻器的檢測。分流電阻上的壓降通常為50 mV或250 mV（以將電流電阻損耗降至最低），構成該級的輸入。

對于隔離放大器，將縮放的低壓信號發(fā)送到外部控制器，以在保持電氣隔離的同時(shí)對高電壓軌上的電流進(jìn)行精確測量。

隔離式Σ-Δ轉換器將分流器兩端的壓降直接調制為數字比特流，當直接與微控制器的Σ-Δ接口連接時(shí)可實(shí)現更高的帶寬。更高的信號帶寬可確?？焖?、精確的電流測量以及開(kāi)關(guān)信號的精確表示，從而控制轉換器的功率級。

與基于具有基本一次性校準的霍爾效應解決方案相比，采用基于分流器的傳感是更優(yōu)的，該方法可在溫度范圍內實(shí)現更高的直流精度。由于基于分流器的解決方案對外部磁場(chǎng)不敏感，因此其精度更高，尤其是存在低電流時(shí)?；诜至髌鞯慕鉀Q方案在整個(gè)電壓范圍內都呈線(xiàn)性，尤其是在過(guò)零和磁芯飽和區域附近。與霍爾效應傳感器相比，該解決方案還提供了高達5 kV的增強隔離，并減小了外形尺寸。

間接方法涉及感測載流導體周?chē)拇艌?chǎng)。例如，霍爾效應傳感器通過(guò)測量導體周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)間接檢測流過(guò)導體的電流。開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器的帶寬高達1 MHz。閉環(huán)傳感器的帶寬為350 kHz，與開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器相比具有更佳的性能，但成本也更高。

鑒于其出色的帶寬和響應時(shí)間，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾效應傳感器可在短路條件下（尤其是在高頻下進(jìn)行切換時(shí)）為分流解決方案中的SiC開(kāi)關(guān)提供更佳的保護。SiC開(kāi)關(guān)的短路耐受時(shí)間通常為1-3 μs，且需要快速檢測以防止短路。與基于霍爾效應的解決方案相比，串聯(lián)分流器兩端的壓降會(huì )導致散熱和功率損耗，尤其是當測量的電流增加時(shí)。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)充電站框圖

隔離式柵極驅動(dòng)器

高速柵極驅動(dòng)器對于構建具有高效率、高功率密度且可靠和穩固的電源模塊至關(guān)重要。柵極驅動(dòng)器在控制器上的脈寬調制器和大功率開(kāi)關(guān)之間進(jìn)行連接?；诖蠊β蔛iC/IGBT的功率模塊要求柵極驅動(dòng)器具有以極高的速度產(chǎn)生和吸收峰值電流的能力，以最大程度地縮短了導通和關(guān)斷的過(guò)渡時(shí)間，從而將開(kāi)關(guān)損耗降至最低。柵極驅動(dòng)器必須：

●   靈活使用具有寬操作電壓和不同類(lèi)型電源開(kāi)關(guān)的同一驅動(dòng)器。

●   可在嘈雜的環(huán)境和極端溫度條件下運行。

●   具有最小的導通傳播延遲，可實(shí)現場(chǎng)效應晶體管（FET）的更快切換，使體二極管的導通時(shí)間最小化，從而提高效率。

●   具有良好的延遲匹配，以確保以最小的導通延遲差驅動(dòng)并聯(lián)的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）。

對于高電壓應用，增強型隔離式柵極驅動(dòng)器可提高系統抵御電涌（CMTI）、由電勢差引起的泄漏電流以及其他可能損壞系統異常事件的能力。

基于控制器的位置，控制器和驅動(dòng)器之間可能需要隔離。傳統的隔離方法是使用非隔離柵極驅動(dòng)器和分立的變壓器實(shí)現隔離。集成式隔離柵極驅動(dòng)器的傳播延遲與分立式變壓器解決方案相似或更佳，而且占用的面積減少了50％。此外，集成時(shí)的隔離柵極驅動(dòng)器以提供大于100 V/ns的CMTI，該數字明顯高于分立解決方案所能達到的數字。CMTI是決定柵極驅動(dòng)器魯棒性的關(guān)鍵參數。

為了使轉換器可靠運行，需要柵極驅動(dòng)器中的保護功能。由于具有提高功率密度和效率的優(yōu)點(diǎn)，SiC和GaN已成為各類(lèi)應用中硅IGBT的潛在替代品。SiC MOSFET具有更嚴格的短路保護要求；與IGBT約10 μs相比，短路耐受時(shí)間為1-3 μs。集成到柵極驅動(dòng)器的DESAT管腳對于在檢測短路時(shí)提供快速響應至關(guān)重要。集成的欠壓鎖定和有源Miller鉗位對于防止半橋應用中FET的誤導通也至關(guān)重要。

對具有自然對流冷卻功能的便攜式直流快速充電器（可輕松拿起并存放在EV行李箱的背面）的需求正推動(dòng)設計具有最新功率密度和效率的EV充電器的發(fā)展。 具有集成柵極驅動(dòng)器的基于GaN的開(kāi)關(guān) 可提供導通電阻、快速開(kāi)關(guān)和低輸出電容，從而有助于功率密度提高多達三分之一的EV充電器的設計。EV充電器中常用的諧振架構也將從零電壓和零電流開(kāi)關(guān)中受益，這些開(kāi)關(guān)可減輕開(kāi)關(guān)損耗并提高整體系統效率。

Jayanth Rangaraju目前擔任德州儀器（TI）的系統經(jīng)理，致力于可再生能源。在此職位，他的團隊負責利用TI的產(chǎn)品組合來(lái)利用系統解決方案和專(zhuān)業(yè)知識來(lái)解決工程問(wèn)題。在德州儀器的13年中，Jayanth擔任過(guò)各種職務(wù)，包括設計工程師、應用程序和系統經(jīng)理以及市場(chǎng)經(jīng)理。他獲得了德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校電氣工程碩士學(xué)位。他于2015年畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校麥考姆斯商學(xué)院，獲得工商管理碩士學(xué)位。

Harish Ramakrishnan目前擔任德州儀器（TI）的系統工程師，致力于可再生能源。他負責利用TI的系統解決方案和專(zhuān)業(yè)知識解決客戶(hù)的設計挑戰。這是他就職于TI的第二年，他在通用電氣、斯倫貝謝和L＆T的電力電子和電機控制領(lǐng)域擁有5年的行業(yè)經(jīng)驗。Harish于2014年在得州農工大學(xué)學(xué)院站獲得了電氣工程碩士學(xué)位。

結論

在電動(dòng)汽車(chē)充電站中使用的電源轉換器中，高功率密度、可靠性和魯棒性變得越來(lái)越重要。隨著(zhù)功率和電壓水平的提高，保護人員和設備免受危險操作條件的影響至關(guān)重要。

目標于高功率密度和高效率充電器的制造商將采用基于IGBT、SiC和GaN的功率轉換器，其開(kāi)關(guān)頻率從幾百赫茲到幾兆赫茲不等。高頻電流和電壓傳感器對于這些平臺的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。

智能柵極驅動(dòng)器技術(shù)將實(shí)現必要的高電壓電平、快速開(kāi)關(guān)速度以及快速保護的需求。鑒于過(guò)去十年來(lái)半導體技術(shù)的飛躍發(fā)展，在短暫的休息時(shí)間里將EV充滿(mǎn)電將很快實(shí)現。