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直流快速電動汽車充電器的設(shè)計技巧與解決方案

發(fā)布時間:2024-07-17 責任編輯:lina

【導讀】便捷高效的充電對于所有電池供電的電動汽車(BEV)的成功至關(guān)重要,可用充電的地方越多,充電速度越快,消費者就越有可能購買純電動汽車而不是化石燃料汽車。本文將為您介紹25 kW直流快速電動汽車充電器的設(shè)計技巧,以及由安森美(onsemi)所推出的相關(guān)解決方案。


便捷高效的充電對于所有電池供電的電動汽車(BEV)的成功至關(guān)重要,可用充電的地方越多,充電速度越快,消費者就越有可能購買純電動汽車而不是化石燃料汽車。本文將為您介紹25 kW直流快速電動汽車充電器的設(shè)計技巧,以及由安森美(onsemi)所推出的相關(guān)解決方案。

直流快速充電技術(shù)提升電動汽車充電效率

當前采用直流快速電動汽車充電技術(shù),是現(xiàn)代電動汽車充電的一種重要方式,它可以大幅縮短充電時間,提高用戶的便利性和使用效率。

其中的關(guān)鍵技術(shù)首先牽涉到充電標準,目前主要有CHAdeMO、CCS(Combined Charging System)和Tesla Supercharger等多種充電標準,不同品牌和型號的電動汽車可能支持不同的充電標準,因此在選擇充電設(shè)備時需確保與車輛兼容。

此外,直流快速充電的充電功率通常比交流充電高,能夠快速將電能輸送到電池中。充電功率的高低會影響充電速度和效率,因此需要根據(jù)電動汽車的需求和充電設(shè)備的規(guī)格來選擇適合的充電功率。

直流快速充電需要專用的充電設(shè)備,通常設(shè)置在充電站或特定場所,并在充電時需要注意充電安全問題,包括避免充電過程中發(fā)生過熱、過充或其他安全風險。一般來說,充電設(shè)備和電動汽車都會具有相應(yīng)的安全保護機制,但使用者仍應(yīng)留意充電過程中的任何異常情況,及時處理或停止充電。直流快速充電相較于慢速充電,對電池的沖擊較大,因此建議適度控制直流快速充電的頻率,避免過于頻繁地使用直流快速充電,影響電池壽命和性能。

直流快速充電技術(shù)能夠有效提高電動汽車的充電速度和便利性,但在使用過程中仍需注意充電標準、充電功率、充電設(shè)備和充電安全等方面的問題,確保充電過程安全可靠。

直流快速電動汽車充電器的設(shè)計技巧與解決方案
SiC模塊是直流快速充電技術(shù)的關(guān)鍵元器件

碳化硅(SiC)模塊是直流快速充電技術(shù)中的關(guān)鍵元器件,SiC模塊包含SiC MOSFET和SiC二極管。升壓模塊用于太陽能逆變器的DC-DC級,這些模塊使用額定電壓為1200V的SiC MOSFET和SiC二極管。

SiC模塊是一種使用碳化硅半導體作為其開關(guān)的電源模塊,SiC電源模塊的目的是通過開關(guān)轉(zhuǎn)換電力,以提高系統(tǒng)效率,SiC模塊的主要功能是轉(zhuǎn)換電力。碳化硅比硅具有優(yōu)勢,因為離開電源時的阻抗較?。ㄓ捎谛侍岣撸?,SiC器件可以在更高的開關(guān)頻率下運行?;赟iC的系統(tǒng)比硅解決方案更緊湊、更輕,可實現(xiàn)更小的設(shè)計。因此,SiC器件是想要提高效率和改善熱管理情況的理想解決方案。

為了解決直流快速充電所面臨的挑戰(zhàn),安森美對SiC技術(shù)和封裝解決方案進行持續(xù)創(chuàng)新,將有助于簡化電動汽車充電器的設(shè)計流程。安森美憑借著全面的分立電源和模擬解決方案、保護、傳感和連接等產(chǎn)品組合,可提供高質(zhì)量元器件,并根據(jù)客戶的需求定制系統(tǒng),結(jié)合安森美在過去20年中不斷積累的系統(tǒng)專業(yè)知識,能夠同時將所有這些技術(shù)結(jié)合在一起,提供全面的解決方案。

直流快速電動汽車充電器的設(shè)計技巧與解決方案
設(shè)計快速電動汽車充電器所面臨的挑戰(zhàn)

想要設(shè)計一個緊湊、高效、可靠的快速電動汽車充電器并不是一件容易的事。除了實際的轉(zhuǎn)換電路之外,硬件保護技術(shù)也至關(guān)重要,需要設(shè)計人員分析多種“假設(shè)”場景,解決方案將包括由無源RC網(wǎng)絡(luò)和區(qū)隔元器件形成的緩沖器。

過高的電壓和/或電流始終是一個問題,需要提供保護以確保功率半導體不被損壞。其中一種技術(shù)是添加一個具有定義閾值和遲滯的電壓比較器,如果存在過壓,該電壓比較器會阻止柵極驅(qū)動器。

過流問題相當具有挑戰(zhàn)性,安森美推出的NDC57000柵極驅(qū)動器,具有過流去飽和保護(DESAT)功能,因此可以在對BOM和產(chǎn)品成本影響最小的情況下解決該問題。諸如此類的硬件保護在測試和調(diào)試期間尤其重要,尤其是啟動階段,此時最有可能發(fā)生不可預(yù)測的切換。

NDC57000可在PFC級中用于保護SiC功率集成模塊(PIM),其測試方法可用于評估DESAT跳閘電流閾值,這是必須進行的功能測試。直流母線電容器用于提供所需的高峰值跳閘電流,并向柵極注入脈沖以打開模塊,并允許DESAT保護跳閘。作為測試的結(jié)果,可以將理論值與實際值進行比較,并進行設(shè)計調(diào)整。

對于主雙有源橋(DAB)DCDC轉(zhuǎn)換器,也可使用NDC57000,依靠壓降來監(jiān)控電流水平。然而,這種方法對器件特性很敏感,雖然數(shù)據(jù)表已包含一些信息,但還是需要進行原型驗證。

另一種方法是在開始制作原型之前進行模擬,以便更準確地設(shè)置參數(shù)。這樣可以非破壞性的方式模擬和理解初級和次級短路效應(yīng)。DESAT保護的離散增強功能,可為輸出電壓跨度高達200-1000V的DCDC級設(shè)計人員,提供寬工作電壓范圍解決方案。

SiC技術(shù)的顯著優(yōu)勢之一是其能夠在高頻下運行。然而,這意味著快速的dv/dt轉(zhuǎn)換速率,會對25 kW快速充電器的物理布局產(chǎn)生影響,必須優(yōu)化布局以最大限度地減少寄生電感,尤其是電源走線中的寄生電感。此外,在多個點上還需要緩沖電路,以最大程度地減少可能造成破壞并產(chǎn)生EMI問題的過沖和振鈴。

系統(tǒng)級控制是另一個重要領(lǐng)域,25 kW快速充電器在PFC和DAB內(nèi)配備多個閉環(huán)控制器,用于控制變壓器有源磁通平衡和初級到次級相移等參數(shù),從而控制輸出電壓和電流。這里的一個挑戰(zhàn)是選擇每個環(huán)路的增益,以便整個系統(tǒng)不會變得不穩(wěn)定。

由于測試需要高功率設(shè)備,設(shè)計人員通常會在工作臺上構(gòu)建具有兩個PFC級和一個DAB的環(huán)回布置,以允許在受控條件下進行安全測試。環(huán)回測試也適用于大規(guī)模生產(chǎn)的老化階段,其中被測器件的能量得到恢復(fù),這可以節(jié)省大量的制造成本,以實現(xiàn)世界上的低碳排放使命。

直流快速電動汽車充電器的設(shè)計技巧與解決方案
具備高系統(tǒng)效率和可靠性的IGBT驅(qū)動器

安森美的NCD57000是一款具有內(nèi)部電流隔離的大電流單通道IGBT驅(qū)動器,專為高功率應(yīng)用中的高系統(tǒng)效率和可靠性而設(shè)計。其功能包括互補輸入、開漏故障和就緒輸出、有源米勒鉗位、負柵極電壓、精確的UVLO、DESAT保護、DESAT軟關(guān)斷,支持IGBT米勒平臺電壓下的高電流輸出(+4/-6 A),傳播延遲短且匹配準確,具有高瞬態(tài)和電磁抗擾度,以及5 kV電流隔離能力與獨立的高低(OUTH和OUTL)驅(qū)動器輸出,以方便系統(tǒng)設(shè)計。

NCD57000在輸入側(cè)可容納5V和3.3V信號,在驅(qū)動器側(cè)可容納寬偏置電壓范圍,包括負電壓功能。NCD57000提供>5 kVrms(UL1577等級)電流隔離和>1200 Viorm(工作電壓)功能。NCD57000采用寬體SOIC-16封裝,輸入和輸出之間保證有8 mm爬電距離,以滿足強化安全絕緣要求。

為了加快客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度,安森美也推出了NCD57000的參考設(shè)計套件。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK是一款基于SiC功率集成模塊的25kW快速直流電動汽車充電器參考設(shè)計套件。該完整SiC解決方案由PFC和DC-DC級組成,具有多個1200V、10 mohm半橋SiC模塊NXH010P120MNF1,超低RDS(ON)和最小化寄生電感,可顯著降低傳導損耗和開關(guān)損耗。依靠強大的通用控制器板(UCB),以及Zynq?-7000 SoC FPGA和基于ARM?的處理器,該系統(tǒng)可在200V-1000V輸出電壓下提供最大25kW的功率,并以96%的全局效率為400V或800V電動汽車電池充電。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK還重點介紹了電流隔離大電流驅(qū)動器NCD57000、輔助電源解決方案SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB,可為低壓元器件提供穩(wěn)定電壓軌、浪涌控制、過壓等集成保護和多個通信接口。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK可支持三相PFC和DAB,可實現(xiàn) 400V/800V電池的雙向功率轉(zhuǎn)換,符合 EN55011 A 級和 IEC 61851 規(guī)范,集成了半橋、1200V、10 mohm SiC M1 MOSFET的NXH010P120MNF1 SiC 模塊,以及隔離式大電流、高效率柵極驅(qū)動器 NCD57000。

結(jié)語

直流快速充電技術(shù)是電動汽車充電領(lǐng)域的一大突破,為電動汽車的普及和使用提供了更便捷、高效的充電方式。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用,直流快速充電已經(jīng)成為現(xiàn)代電動汽車充電的主流方式之一。本文所介紹的25 kW直流快速充電器的設(shè)計技巧,以及由安森美所推出的相關(guān)解決方案,將有助您加速開發(fā)直流快速充電相關(guān)產(chǎn)品,搶占市場先機。


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