詳解電動(dòng)汽車的快速直流充電系統(tǒng)

對(duì)于要求苛刻的消費(fèi)類電動(dòng)汽車市場(chǎng)，基于最新寬帶隙半導(dǎo)體的快速直流充電系統(tǒng)正在成為首選方式。

在為電動(dòng)汽車充電時(shí)，有幾種方法可用。目前正在部署高速公路和城市充電站，但在家充電是主要的市場(chǎng)趨勢(shì)。大多數(shù)單獨(dú)的乘用車保持停放過夜，使家庭充電更容易，而且通常比在其他地方充電更便宜。

電動(dòng)汽車 (EV) 的采用曲線不斷向好的方向發(fā)展，因?yàn)橄冗M(jìn)的電力電子設(shè)備和轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改善了電動(dòng)汽車的性能，從而解決了對(duì)行駛里程的焦慮和對(duì)電池壽命的擔(dān)憂。這些改進(jìn)的 EV 電源管理和電機(jī)控制電子設(shè)備主要?dú)w功于下一代寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兇俪闪烁咝冗M(jìn)電源系統(tǒng)的創(chuàng)建。

這些相同的 WBG 半導(dǎo)體也在各個(gè)層面為電動(dòng)汽車充電行業(yè)注入活力（雙關(guān)語）。隨著消費(fèi)者的擔(dān)憂從里程焦慮轉(zhuǎn)向充電速度，基于 WBG 的充電系統(tǒng)現(xiàn)在正在市場(chǎng)上部署，以滿足對(duì)家用電動(dòng)汽車快速充電的需求。這些下一代電動(dòng)汽車充電器在電動(dòng)汽車采用率和范圍方面發(fā)揮著重要作用。

向前沖鋒

最流行的基于 WBG 的壁式充電器類型被稱為模式 3（2 級(jí)）系統(tǒng)，可提供高達(dá) 50 千瓦的功率，比基于傳統(tǒng)技術(shù)的早期 1 級(jí)系統(tǒng)的輸出功率高得多?；谥绷鞯某潆娖?，也稱為 3 級(jí)或直流快速充電 (DCFC) 系統(tǒng)，工作功率從 25 千瓦到超過 350 千瓦，顯著減少了信息亭和其他公共場(chǎng)所的充電時(shí)間。

在 15 分鐘內(nèi)，一個(gè) 150 kW 的直流充電器可以在 EV 上行駛 200 公里，使用當(dāng)今市場(chǎng)上最好的直流快速充電器，許多人可以在一小時(shí)內(nèi)獲得 80% 的電量。家用直流快速充電系統(tǒng)正在成為不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。在開發(fā)面向消費(fèi)者的資本貨物時(shí)，壽命和可靠性與購買決策中的成本效益競(jìng)爭(zhēng)。

所有能夠以具有成本效益的方式提高功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率、安全性和性能的做法只會(huì)提高接受度。電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的三個(gè)方面包括測(cè)量電流、確保嚴(yán)格的功率因數(shù)校正、頻率管理和解決熱問題。每個(gè)都相互影響以影響系統(tǒng)的整體性能。

WBG 類型

WBG 半導(dǎo)體目前有兩種類型，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。每個(gè)都有其各自的優(yōu)勢(shì)，但兩者都創(chuàng)造出比基于硅的傳統(tǒng)晶體管性能更好的設(shè)備。有趣的是，GaN 非常適合中低功率應(yīng)用，而 SiC 則適用于非常高的電壓和功率水平。

GaN 是一種壓電半導(dǎo)體，可實(shí)現(xiàn)極高的效率和開關(guān)頻率，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更好的性能，而且由于能夠減小所涉及的無源元件的尺寸，因此能夠減少解決方案的占位面積。SiC 可以更高效地在更高的溫度下運(yùn)行，同時(shí)管理足夠高的電壓以應(yīng)對(duì)最苛刻的 EV 系統(tǒng)。

在最新的家用和公共 EV 充電器中，GaN 更多地出現(xiàn)在控制電子設(shè)備中，而 SiC 更多地出現(xiàn)在功率轉(zhuǎn)換階段。這種分裂在中等功率水平上是模糊的，因?yàn)?GaN 和 SiC 都可以處理數(shù)百伏和數(shù)十安培的應(yīng)用。這導(dǎo)致了升級(jí)板上所有相關(guān)組件以解決系統(tǒng)附加功能的壓力。

現(xiàn)在發(fā)生的事

在先進(jìn)的基于 WBG 的電力系統(tǒng)中，準(zhǔn)確、快速和智能的電流測(cè)量至關(guān)重要。除了確定功率輸出外，正確的電流測(cè)量還可以幫助管理熱性能，因?yàn)椴涣嫉臒峁芾砭哂衅茐男郧页杀靖甙?。正確完成高級(jí)電流測(cè)量可以顯著提高基于 WBG 的高級(jí)電源電路的性能、安全性和成本效益。

大多數(shù)下一代充電器都在其性能范圍的邊緣被驅(qū)動(dòng)，并且先進(jìn)的電流測(cè)量提供了早期故障檢測(cè)和實(shí)時(shí)性能信息等?；?WBG 的電力系統(tǒng)需要指示超出范圍的電流狀況、過流狀況或其他性能損失，以預(yù)測(cè)和解決潛在的熱問題。

電力電子性能的危險(xiǎn)以及系統(tǒng)熱問題的范圍從接地故障和短路到在極端功率水平和超出系統(tǒng)支持能力的負(fù)載條件下運(yùn)行。先進(jìn)充電系統(tǒng)中的電流傳感器部署在每個(gè)轉(zhuǎn)換器電路中，以執(zhí)行反饋控制回路功能的初始部分，該功能調(diào)節(jié)逆變器中電力系統(tǒng)的性能、效率和熱線性度，尤其是基于 WBG 半導(dǎo)體的逆變器。

對(duì)于這些電源系統(tǒng)中的電流感應(yīng)，集成式感應(yīng)解決方案是唯一真正的解決方案，因?yàn)樗粌H提供所需的性能，而且與使用運(yùn)算放大器和比較器的板組裝解決方案相比，還可以顯著節(jié)省空間。非集成實(shí)現(xiàn)的大小將根據(jù)所選的實(shí)際組件而有所不同，但它會(huì)大于單封裝解決方案。如果我們?yōu)檫@種類型的設(shè)備使用傳統(tǒng)的組件封裝尺寸，大約 2~3 毫米，這會(huì)導(dǎo)致解決方案的尺寸達(dá)到幾十毫米。

過電流檢測(cè)

根據(jù)定義，電流測(cè)量是防止電子系統(tǒng)損壞的過流和欠流保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵方面。在基于 WBG 的電力系統(tǒng)的速度、功率水平和始終開啟方面，傳統(tǒng)熔斷器在任何情況下都不再適用于這些先進(jìn)的電力產(chǎn)品，除非是為了防止災(zāi)難性故障。WBG 電源系統(tǒng)更高的開關(guān)速度和功率水平要求對(duì)先進(jìn)電動(dòng)汽車充電器的每個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

除了在過流情況下切斷電源之外，使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)并不能為您提供有關(guān)電源系統(tǒng)實(shí)際性能的任何信息。使用電流傳感器，可以針對(duì)任何給定應(yīng)用優(yōu)化過電流檢測(cè)響應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)的電路保護(hù)和安全性至關(guān)重要，Aceinna 等電流檢測(cè)解決方案非常適合過電流檢測(cè)，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅？斓捻憫?yīng)和大電流測(cè)量范圍。由于隔離，它們可用于電路的高端和低端。

與分流加隔離放大器解決方案相比，隔離等方面的集成以及 amr 傳感器和溫度校正降低了客戶設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，通過在高側(cè)使用 Aceinna 電流傳感器等設(shè)備，可以檢測(cè)到相電流的接地故障（可能是由于接線錯(cuò)誤、老化等原因），從而可以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

電能質(zhì)量對(duì)于高效運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是在這些先進(jìn)的 WBG EV 充電器中，功率因數(shù)是其中很大一部分。有功功率與視在功率之比（例如低于 95% 的不良功率因數(shù)）會(huì)導(dǎo)致完成相同工作所需的電流更大。功率因數(shù)校正 (PFC) 提高了該比率和電能質(zhì)量，減少了電網(wǎng)壓力，提高了設(shè)備??的能源效率，降低了電力成本，同時(shí)降低了不穩(wěn)定和系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

在負(fù)載附近產(chǎn)生與電池充電器等負(fù)載吸收的能量相反的無功能量，提高了功率因數(shù)，并在負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用理想補(bǔ)償，實(shí)時(shí)達(dá)到所需水平。在低壓側(cè)的 PFC 設(shè)備上使用電流傳感器可提高可用功率。

在諧波失真方面，AC/DC逆變器前端需要PFC，并且大多數(shù)時(shí)候AC/DC前端模塊的初級(jí)和次級(jí)之間需要隔離，Aceinna的電流傳感器不僅簡(jiǎn)化了整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但降低了實(shí)施成本。

開關(guān)頻率

在基于 WBG 的電源系統(tǒng)中，尤其是基于 GaN 的電源系統(tǒng)中，電源電路中的開關(guān)頻率已顯著提高，這就要求磁性器件和無源器件具有更高的性能。先進(jìn)的電流感應(yīng)解決了對(duì)系統(tǒng)中更好組件的需求。此外，提高穩(wěn)壓器頻率可降低電源電路的尺寸和電路板尺寸要求。然而，隨著頻率的增加，開關(guān)損耗也會(huì)增加，這主要是由于開啟期間的高邊損耗以及體二極管傳導(dǎo)損耗。

需要在先進(jìn)的 WBG 快速開關(guān)電路中進(jìn)行電流測(cè)量，以實(shí)時(shí)跟蹤電流，以實(shí)現(xiàn)盡可能高的效率。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)也需要智能電流測(cè)量，以創(chuàng)建控制算法以獲得更好的性能。由于其高相位裕度，Aceinna 的高精度和高帶寬電流解決方案提高了系統(tǒng)效率，同時(shí)簡(jiǎn)化了電流控制設(shè)計(jì)。

向前行駛

快速充電系統(tǒng)市場(chǎng)需要基于最新 WBG 設(shè)備和電路拓?fù)涞南冗M(jìn)、高效且具有成本效益的充電解決方案，以加速 EV 的采用和市場(chǎng)可行性。使用最新電源系統(tǒng)進(jìn)行家庭快速充電是更可取的電動(dòng)汽車充電形式之一，使用先進(jìn)的電流感應(yīng)來優(yōu)化此類基于 WBG 的系統(tǒng)將確保產(chǎn)品在電動(dòng)汽車充電市場(chǎng)取得成功。

審核編輯：湯梓紅