25kW電動(dòng)汽車直流快速充電樁：設(shè)計(jì)技巧、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

便捷高效的充電能力是所有純電動(dòng)汽車 (BEV) 成功的關(guān)鍵。充電的地方越多，充電的速度越快，大眾就越有可能購(gòu)買 BEV，而非燃油車。

但是，要讓設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車快速充電樁緊湊、高效且可靠，并非易事。除了實(shí)際的轉(zhuǎn)換電路外，硬件保護(hù)技術(shù)也必不可少，需要設(shè)計(jì)人員對(duì)多種“假設(shè)”場(chǎng)景進(jìn)行分析。方案包括使用由無(wú)源 RC 網(wǎng)絡(luò)和阻斷組件構(gòu)成的緩沖器。

圖 1：安森美 (onsemi) 基于 25kW SiC 模塊的直流快充系統(tǒng)

過(guò)壓和/或過(guò)流始終是個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，需要對(duì)功率半導(dǎo)體加以保護(hù)，確保它們不會(huì)受損。一種做法是添加具有指定閾值和遲滯的電壓比較器，它會(huì)在過(guò)壓時(shí)阻斷柵極驅(qū)動(dòng)器。

過(guò)流問(wèn)題更具挑戰(zhàn)性，但安森美的NCD57000具有過(guò)流去飽和保護(hù) (DESAT) 功能，可以解決這個(gè)問(wèn)題，而且對(duì) BOM 和產(chǎn)品成本幾乎沒(méi)有影響。

圖 2：NDC57000 隔離型大電流和高效率 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)部電氣隔離功能。

諸如此類的硬件保護(hù)在測(cè)試和調(diào)試期間尤為重要，特別是在啟動(dòng)階段，此時(shí)最有可能發(fā)生意想不到的開(kāi)關(guān)操作。

NCD57000 用于功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)，以保護(hù) SiC 功率集成模塊 (PIM)。測(cè)試方法用于評(píng)估 DESAT 動(dòng)作電流閾值，這也是功能測(cè)試前必不可少的步驟。DC-Link電容用于提供所需的高峰值動(dòng)作電流，它將脈沖注入柵極，導(dǎo)通模塊，然后對(duì)動(dòng)作進(jìn)行 DESAT 保護(hù)，如圖 3 所示。

圖 3：DESAT 保護(hù)測(cè)試

這個(gè)測(cè)試可以將理論值與實(shí)際值進(jìn)行比較，從而對(duì)設(shè)計(jì)做出調(diào)整。

NCD57000 也可以用于主雙有源橋 (DAB) DCDC 轉(zhuǎn)換器，依靠壓降來(lái)監(jiān)控電流水平。但這種方法容易受到器件特性的影響。雖然資料手冊(cè)包含了一些信息，但幾乎始終需要進(jìn)行原型驗(yàn)證。

圖 4：PFC 級(jí)（左），DAB 級(jí)（右）

還有一種方法是在原型設(shè)計(jì)之前執(zhí)行仿真，以便更準(zhǔn)確地設(shè)置參數(shù)。它允許以非破壞性的方式仿真并分析初級(jí)和次級(jí)短路效應(yīng)，展示 DESAT 保護(hù)的增強(qiáng)功能，在輸出電壓范圍高達(dá) 200-1000V 時(shí)，為 DCDC 級(jí)設(shè)計(jì)人員提供寬工作電壓范圍方案。

SiC 技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是它能夠在高頻率下運(yùn)行。但這也說(shuō)明，快速的 dv/dt會(huì)對(duì) 25kW 快速充電樁的物理布局產(chǎn)生影響。因此，必須優(yōu)化布局，盡可能降低寄生電感，特別是在電源走線中。此外，多個(gè)點(diǎn)需要通過(guò)緩沖電路來(lái)最大限度地減少過(guò)沖和振鈴，防止造成損壞并產(chǎn)生 EMI 問(wèn)題。

圖 5：布局是電動(dòng)汽車充電樁等 SiC 高功率設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

系統(tǒng)級(jí)控制是另一個(gè)重要方面。25 kW 快速充電樁在 PFC 和 DAB 中具有多個(gè)閉環(huán)控制器，用于控制變壓器有源磁通平衡和初級(jí)到次級(jí)相移等參數(shù)，從而控制輸出電壓和電流。這方面的挑戰(zhàn)在于如何為每個(gè)環(huán)路選擇增益，讓整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)變得不穩(wěn)定。

由于測(cè)試需要高功率設(shè)備，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在工作臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)環(huán)回裝置，包括兩個(gè) PFC 級(jí)和一個(gè) DAB 級(jí)，以便在受控條件下進(jìn)行安全測(cè)試。環(huán)回測(cè)試也適用于大規(guī)模生產(chǎn)的老化測(cè)試階段，用于回收被測(cè)設(shè)備的能量，從而節(jié)省大量制造成本，助力實(shí)現(xiàn)世界低碳排放的愿景。

安森美編制了一份技術(shù)白皮書(shū)，詳細(xì)分析了為超快速電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)和調(diào)試 25 kW 直流快充模塊時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。白皮書(shū)中包含了可以使用的實(shí)用方法建議，并列舉了在此過(guò)程中學(xué)到的各種技巧和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。