電動車部署展望簡要

 

電動車、電動動力總成和汽車功能電子化技術已存在多年。事實上
，第一輛電動汽車（EV）在19世紀末問世。

 

然而，近年來，人們對這種替代燃料技術的興趣重生，特別是在20世紀末。由於希望減少對氣候的影響，該行業正轉離內燃機（ICE）汽車。

 

基於內燃機的車輛以石油為燃料，這是一種日益稀缺的資源，嚴重汙染環境，是氣候變化的主要促成因素。

 

直到最近三到五年，我們才看到隨著法規的出台、基礎設施的部署以及更多的插電式混合動力車（PHEV）和電池電動車（BEV）車型，行業開始采取具體行動推廣，電動車生態係統持續擴增，最終提高了電動車的普及率。

 

圖 1. 19 世紀末的電動車

 

近期這加速發展的最主要驅動力之一是對全球汽車製造商實施的排放監管政策。在歐洲，自去年（2020年）開始生效的更嚴格的措施可能對不遵守這些措施的汽車製造商的底線[1]產生嚴重影響。這些法規在未來幾年將逐漸變得更加嚴格。難怪汽車製造商正在迅速行動
，增加他們的BEV車型，實際預測到2025年將有300款車型上路[2][3]。

 

在(zai)消(xiao)費(fei)者(zhe)端(duan)，政(zheng)府(fu)在(zai)過(guo)去(qu)幾(ji)年(nian)裏(li)一(yi)直(zhi)在(zai)向(xiang)新(xin)能(neng)源(yuan)車(che)車(che)主(zhu)提(ti)供(gong)不(bu)同(tong)性(xing)質(zhi)的(de)好(hao)處(chu)，以(yi)支(zhi)持(chi)過(guo)渡(du)到(dao)替(ti)代(dai)燃(ran)料(liao)車(che)。從(cong)稅(shui)收(shou)減(jian)免(mian)，到(dao)免(mian)費(fei)停(ting)車(che)和(he)充(chong)電(dian)服(fu)務(wu)
，以(yi)及(ji)使(shi)用(yong)高(gao)乘(cheng)載(zai)車(che)輛(liang)（HOV）車道。

 

圖 2. 按不同生產日期推出的 BEV 市場

資料來源: McKinsey/IHS Automotive (2019年7月)

 

此外，如果我們看看最近和現在，新冠肺炎(COVID-19) 一直是並將繼續是孵化幕後趨勢的加速器
，如機器人化
、5G和聯接，當然還有電動車......特別是，以新技術和創新為主的多年投資計劃——無論是在公共還是私人領域。這些力量正在刺激電動車和PHEV的銷售增長，特別是現在在歐洲。中國一直是采用
、市場增長和產品的開拓者，但最近幾個月，歐洲的銷售量已趕上了中國，達到了140萬輛的整體水平，同比增長137%。中國和美國的數字分別徘徊在134萬輛和33萬輛左右[4][5][6]。

 

圖 3. 預計2020-2024 年新能源車的銷量。報告於2020 年 COVID-19 影響之前發布

 

電動車快速充電基礎設施。需求正在強勁增長

 

除chu了le促cu進jin采cai用yong新xin能neng源yuan車che的de直zhi接jie激ji勵li和he措cuo施shi外wai，整zheng個ge環huan境jing還hai有you其qi他ta變bian化hua也ye在zai加jia強qiang向xiang電dian動dong汽qi車che的de過guo渡du。過guo去qu一yi直zhi有you一yi些xie潛qian在zai的de路lu障zhang阻zu礙ai了le向xiang新xin車che型xing的de演yan變bian
，最zui突tu出chu的de是shi：續航裏程焦慮、新能源車輛的價格（屬於 "高端 "內燃機汽車類別的價格範圍）
，最後，電池的充電時間與傳統車輛給油箱加油的時間（一個簡單

、眾所周知的概念和快速過程）相比。增加電池容量和車輛優化的千瓦時/公裏比率，正在解決續航裏程焦慮問題。近年來

，BEV的價格正在穩步下降，並越來越接近更廣泛的大眾市場類別，同時，如前所述，提供的車型更多了。

 

剩下的最後一個障礙是充電時間


，慢速充電（有效功率不超過22 kW）和快速充電係統（22-400 kW及以上目標）同時存在。特別是慢速充電係統已經在家庭、公共停車場和工作場所的停車場相對廣泛使用（圖4）。不同的是，快速充電係統主要在公共場所
、商業區或充電站/樁使用
，因為它們需要專用的電力基礎設施，意味著大量的投資。在慢速充電的最高額定功率下


，該係統可提供多100公裏續航裏程，約50-60分鍾
，但即使是這些也不能輕易部署在家庭。在較低的功率端，當使用專用電纜連接到標準插座時
，家庭和私人可使用1.4-3.7千瓦/小時（取決於地區和適用的法規，功率可能會更大）
，但需要約5小時（3.7 千瓦）來增加100公裏續航裏程。相比之下，快速充電係統可在10分fen鍾zhong內nei提ti供gong這zhe續xu航hang裏li程cheng。對dui於yu相xiang當dang一yi部bu分fen駕jia駛shi員yuan和he使shi用yong情qing況kuang來lai說shuo，慢man速su充chong電dian可ke能neng是shi個ge可ke行xing的de解jie決jue方fang案an，但dan顯xian然ran不bu適shi合he所suo有you人ren或huo每mei一yi種zhong情qing況kuang。

 

圖4. 2019年按國家劃分的私人和公眾可使用的充電樁

 

因此，有效和可持續地過渡到電動汽車將需要部署快速充電基礎設施，以跟上道路上BEVdezengchangbufa。bujinzaishuliangshang
，erqiezaiedinggonglvfangmian。gonglvyuegao

，chongdianshijianyueduan
，zheshiyigezhongyaodeyinsu，yinweidianchirongliangbuduanzengjia，qijishubuduangaijin，yunxugenggaodefengzhigonglv（更快的充電速率）。難怪估計快速充電器的增長預測，從2020年到2027年，數量的年複合增長率為31.8%，同期市場規模的年複合增長率為39.8% [9 ]。圖4描述了2019年全球慢速和快速充電器的分布。

 

交流或直流充電：模糊的界限

 

在電動汽車方麵，用於充電的電纜和連接器通常被稱為 "充電器"。交流（AC）插座與專用硬件設備（通常稱為 "牆盒"）

，作為連接充電線和為車輛充電的接口，被稱為 "充電器"，這可能會引起混淆

，因為如果 "充電器 "我們考慮的是發生電力轉換的實際設備，那麼上麵討論的元素就不是充電器。

 

交流充電和直流（direct current, DC）充電是簡單的概念
，但由於上述原因可能變得模糊不清。從本質上講，兩者的區別在於將電力轉移到車輛的充電端口（而不是進入電池）的模式。在交流充電模式下

，來自電網的交流電通過交流電插座或充電檔口輸送到汽車中。汽車將通過車載充電器（OBC）管理交流-直流電的轉換--這裏正確的名稱是充電器，因為有電力轉換--並向電池提供直流電壓和電流。另一方麵
，在直流充電模式下，交流-直流轉換由車外充電器進行--我們再次談及充電器。圖5說明電動汽車的不同充電方式。由於車外的空間
、重量和熱量限製更為寬鬆，所以直流充電的額定功率有很大的範圍。因此，直流充電的範圍甚至低於11 kW，最高可達400 kW。當dang然ran，這zhe些xie範fan圍wei內nei的de使shi用yong情qing況kuang可ke能neng非fei常chang不bu同tong。另ling一yi點dian值zhi得de注zhu意yi的de是shi，並bing不bu是shi所suo有you的de車che輛liang都dou能neng接jie受shou高gao直zhi流liu電dian力li水shui平ping的de充chong電dian。現xian在zai大da多duo數shu已yi推tui出chu的de車che輛liang通tong常chang可ke以yi在zai直zhi流liu模mo式shi下xia支zhi持chi至zhi少shao50 kW的速率。

 

圖5. 交流充電和直流充電概念圖

資料來源。Yolé Development

 

交流充電通常被稱為 "慢速充電"
，這是因為它的功率限製（最高端通常為22 kW）和最短的必要充電時間。交流電的高功率範圍（11-22 kW）有時可能被稱為 "高功率交流電充電 "或 "快速交流電充電"，但沒有實際定義。另一方麵，那些額定功率為22 kW
、甚至高達400 kW的直流充電器被認為是 "快速"。“超快 "一詞也用於50 kW以上的功率，但沒有實際明確的界限或定義。目前，最常見的直流電能範圍在22-150 kW之間，功率在200-350 kW之(zhi)間(jian)取(qu)得(de)進(jin)展(zhan)。快(kuai)速(su)和(he)超(chao)快(kuai)速(su)的(de)直(zhi)流(liu)充(chong)電(dian)樁(zhuang)一(yi)般(ban)隻(zhi)在(zai)有(you)三(san)相(xiang)電(dian)源(yuan)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)網(wang)的(de)專(zhuan)用(yong)區(qu)域(yu)公(gong)開(kai)提(ti)供(gong)。到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)
，主(zhu)要(yao)是(shi)在(zai)高(gao)速(su)公(gong)路(lu)上(shang)的(de)充(chong)電(dian)樁(zhuang)，可(ke)能(neng)會(hui)顯(xian)示(shi)多(duo)個(ge)超(chao)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)器(qi)（每個>150 kW）。這種設施需要一個來自電網的專用高壓變壓器。

 

充電率和時間

 

為了了解如今的充電時間，一個簡單的計算可以讓我們走得更遠。考慮到一輛電池容量為60千瓦時的汽車（BEV現在釋放的電池容量在30至120千瓦時之間）[10] 和一個100 kW的直流充電器，可以得出以下結果:

 

充電時間=電池容量（有效）*1[千瓦時]/平均充電功率[kW] 充滿電池的範圍=電池容量（有效）*1[千瓦時]/效率[千瓦時/100公裏]60千瓦時/100 kW=36分鍾

 

60千瓦時/（18千瓦時/100公裏*2）=~333公裏

 

*1 在這個練算中
，考慮的是完整的電池容量。可能有一些電動車會對全部 "有效 "容量構成限製。

 

*2 通用值
，將取決於每輛車的特性。通常情況下
，將在12-23 千瓦時/100公裏之間。

 

必須考慮到，並非所有道路上的車輛都能支持高達100 kW的直流充電率，目前發布的車型之間的實際差異通常在50 kW以下和250 kW以上[11]。同樣，車輛的效率也存在明顯的差異，以千瓦時/100公裏的比率衡量。有可用的數據庫[12]提供多種BEV的詳細信息。此外，充電過程中的平均功率不等於汽車接受的峰值功率，因為隨著電池充電狀態（SOC）的提高，額定功率需要有上限。

 

在任何情況下
，上述例子是有啟發性的，並提供了一個與基於內燃機的車輛進行比較的標準。以100千瓦時的平均速度給我們的電動車充電，需要36分鍾才能提供333公裏的裏程，或者大約10分鍾才能提供100gongli。duiyuchuantongdeneiranjiqichelaishuo，tongyangdeyunzuoxuyaosandaowufenzhongcainengwanchengchongdian。youlezhexieshuzi，nanguaishichangzhengzaixunsufazhanbingtuidonggenggaodegonglvjiejuefangan[在電動汽車供應設備（EVSE）方麵和車輛方麵] 。允許超過350 kW功率。

 

直流充電的標準和協議

 

為了規範和標準化交流和直流充電技術，促進支持電動汽車的兼容EVSE生態係統的發展，已經製定了一些標準和IEC規範。這些設定的框架，盡可能的全球化，幫助協會和行業發展協議和EVSE。然而，這遠遠不是個微不足道的話題
，因為來自不同機構的幾個標準和實施方案在全球範圍內並存。

 

采用自上而下的方法，講出一些基本的標準（以及發布機構的總部所在地），如下：

 

●    IEC-68151（瑞士）

●    IEC-62196 (瑞士)

●    IEC61980 (瑞士)

●    ISO1740 9:2020 (瑞士)

●    SAEJ1772 (美國)

●    GB/T18487 (中國)

●    GB/T20234 (中國)

●    GB/T27930 (中國)

 

如果我們研究借鑒這些標準的實際充電協議和生態係統，我們會發現三個全球擴展的直流充電實施方案：CHAdeMO（"charge de move”移動充電的縮寫）
、聯合充電係統（CCS）和特斯拉超級充電樁。在中國，唯一的標準和實施的協議是GB/T
，並且也是該地區獨有的。下一節將討論這些協議和標準的一些特點。

 

直流充電的一些重要標準是什麼
？

 

IEC 61851。國際電工委員會（IEC）已經製定了上一節中所列的幾個標準。IEC61851指的是 "電動汽車導電充電係統"

，是IEC係列中電動汽車充電的核心部分，專注電動汽車導電充電係統的不同主題，包括分別達到1000 V和1500 V的交流和直流充電[13]。該標準定義了四種不同的充電 "模式"，其中前三種 "模式"（1至3）指的是交流充電，"模式 "4談及直流充電。IEC62196定義了 "插頭
、電源插座、車輛連接器和車輛進氣口"，IEC61980涉及 "電動汽車無線電力傳輸（WPT）係統"。ISO17409:2020是國際標準化組織（ISO）關於電動汽車充電的基礎標準，是對上述IEC61851的專門補充。該文件涉及IEC61851-1中定義的充電 "模式 "2
、3、4的 "電力驅動的道路車輛--導電電力傳輸--安全要求"。

 

圖6. 闡釋IEC-61851中定義的充電 "模式 "

 

模式4定義了直流充電。資料來源。菲尼克斯電氣。SAEJ1772

 

在北美，管理標準是SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。該文件規定了在1000 V電壓下提供高達400 kW的直流充電。與IEC-61851中的充電 "模式 "不同，SAEJ1772規定了充電 "等級 "並定義了以下內容。“交流1級"
、"交流2級"、"直流1級 "和 "直流2級"（2017修訂版）。在此需要指出的是，''''三級''''充電仍然是一個未定義的術語，被廣泛（和誤導）用來指直流充電。已經有 "交流3級 "的實際項目（盡管從未完全開發）和 "直流3級 "已被討論。在任何情況下，這些都是不同的概念，不能作為直流充電的同義詞使用。此外，不同地區和機構的標準可以交織在一起。SAEJ1772首先定義了用於交流充電的 "SAEJ1772 "連接器類型（命名為 "SAEJ1772連接器"），主要用於北美地區。後來，IEC-62196采用了相同的連接器
，並將其確定為IEC-62196 Type 1
，與在歐洲用於交流充電的IEC-62196 Type 2連接器形成對比。由於IEC連接器（Type 1和Type 2）使用相同的SAEJ1772信號協議，汽車製造商在銷售汽車時
，要麼使用SAEJ1772-2009進氣口，要麼使用IEC Type 2進氣口
，具體取決於市場。

 

直流充電協議

 

正如上一節所介紹的，有三種主要的充電協議在全球範圍內擴展。

 

CHAdeMO - 該協會於2010年在日本成立，並製定了與之同名的電動車充電協議。該協議和組織由日本的主要汽車製造商和其他行業利益相關者支持和推動。日產、三菱、豐田、日立
、本田和鬆下等等
，其中也包括一些歐洲的參與者。這些協議借鑒了所討論的IEC6185-1、-23
、-24和IEC62196標準
，定義並使用專用連接器（圖7）。這些協議的範圍從CHAdeMO0.9到CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分別支持200 kW/500 V和400 kW/1000 V。CHAdeMO現在的目標是900 kW的充電器，與中國電力企業聯合會（CEC）聯合開發一個被稱為 "ChaoJi "的超高功率充電標準[14]。這項合作還致力於成為第一個全球超快速充電器協議[[15]]。2020年5月
，CHAdeMO報告實現了全球安裝32,000個快速充電器的目標[[16]]，其中14,400個在歐洲。

 

圖7. 快速直流充電器的連接器類型。特斯拉在北美和其他地區使用一種專有的連接器。在歐洲和其他部署CCS和CHAdeMO網絡的地區，特斯拉正在順應這些係統。來源：Enel X

 

聯合充電係統（Combined Charging System, 簡稱CCS）

 

另一個快速直流充電協議和係統最初由歐洲和美國的汽車製造商、EVSE基礎設施製造商和其他行業相關參與者開發和認可。亞洲製造商也加入了該組織。這些機構大多正式組織為CharIN協會
，負責協議的開發和推廣。CCS係統與適用的IEC、SAE和ISO標準一致

，支持交流充電（單相和三相）和直流充電
，提供超過200  kW的直流充電能力
，350 kW正在準備中[17]。在撰寫本博客時，CharIN網樁列出了已部署的超過33,800個直流充電點的總體數量，分布在以下功率範圍。6%低於50 kW，58% 50 kW
，29% 150 kW和7% 250 kW。CSS規定了兩種用於直流充電的連接器
，Combo 1和Combo（圖8），它們在原來的交流充電對應物（Type 1和Type 2）的基礎上，增加了一個用於直流電流的雙引腳插座。在這種方式下，車輛上的獨特插座類型（每個地區）可以同時進行直流充電和交流充電。大多數CharIN的歐洲成員以IONITY的名義聯合起來，努力開發和部署一個全歐洲的快速充電樁網絡。

 

圖8. 帶有交流、直流（CHAdeMO）和直流（CCS）連接器的充電樁

 

快速直流充電用例和配置

 

在前麵的章節中，我們已討論並了解了快速直流充電：

 

●    它是什麼，它不是什麼

●    功率和電壓水平以及充電時間

●    現有的標準和協議

 

在本節中，討論將使我們更深入地了解這項技術，並揭示：a）實際部署直流充電器的配置；b）介紹 "引擎蓋 "xiadeguanjiangonglvdianzi
，zheyichengweidiandongqichedejishi。buchusuoliao
，kuaisuzhiliudiandongchechongdianshijidiandongchebenshenzhihougonglvdianzilingyuchuangxindetuijinqizhiyi，yeshitanhuagui（SiC）等新型電源技術采用最迅速的市場之一。

 

直流充電樁的基礎設施配置

 

直流EVSE部署的第一個也是最常見的使用案例包括一個端到端的係統
，從電網到電動車的電池（圖9）。目mu前qian，這zhe使shi用yong案an例li在zai充chong電dian樁zhuang和he獨du立li的de單dan體ti充chong電dian點dian中zhong都dou可ke以yi找zhao到dao
，其qi中zhong充chong電dian樁zhuang顯xian示shi了le幾ji個ge這zhe樣yang的de轉zhuan換huan器qi。帶dai有you多duo個ge快kuai速su或huo超chao快kuai速su充chong電dian器qi的de充chong電dian樁zhuang需xu要yao一yi個ge高gao達da1 MW（及以上）的高壓電網隔離變壓器，以便可靠地、不間斷地輸送電力。

 

在內部
，這些充電器由前端的AC-DC三相有源整流級組成，執行功率因素校正（PFC）並提升直流鏈路電壓水平。隨後，一個隔離的DC-DC轉換級使輸出電壓和電流適應電動車中電池的需要。

 

圖9顯示了該係統模塊。為了最大限度地提高能效和規模，對高電壓係統的需求越來越大。這既適用於中間母線電壓（在PFC和DC-DC轉換器之間）
，也適用於輸出電壓
，因為800 V及以上的電動車電池正在變得普遍。

 

如此高功率和高電壓的應用獲得了SiC模塊技術的好處，它表現出更高的擊穿電壓，更低的RDSON和動態損耗，以及卓越的熱性能。損耗的減少、提高開關頻率的可能性和增強的熱耗散使係統尺寸的縮小成為可能，無源元件的縮小和冷卻要求的降低。這一係列獨特的性能使SiC模塊技術成為高效、功(gong)率(lv)密(mi)集(ji)和(he)緊(jin)湊(cou)的(de)快(kuai)速(su)直(zhi)流(liu)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)關(guan)鍵(jian)賦(fu)能(neng)者(zhe)
，可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)部(bu)署(shu)和(he)大(da)量(liang)擴(kuo)展(zhan)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，快(kuai)速(su)直(zhi)流(liu)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)內(nei)部(bu)模(mo)塊(kuai)化(hua)也(ye)值(zhi)得(de)注(zhu)意(yi)，因(yin)為(wei)大(da)多(duo)數(shu)係(xi)統(tong)的(de)特(te)點(dian)是(shi)每(mei)個(ge)15-75 kW的堆疊子單元（圖9），這使得係統更加靈活和堅固，簡化了生產。

 

圖9. 快速直流電動車充電器的結構圖(左)。具有多個功率級堆疊的高功率直流電動車充電器(右)

 

第二種EVSE部署配置，隨著電動汽車進一步滲透到市場並搶占交通的重要部分，將獲得相關性，包括儲能係統（ESS）的整合。這個用例也可能涉及可再生分布式能源資源（DER）dezhenghe，zhuyaoshitaiyangneng。zhezhongleixingdejichusheshijiangshiweichidiandongchehuanjingdeyigeguanjianzhizhu，chongdianzhuangjiangchengweixiaofeidejiaodian，bingxuyaogaodefengzhigonglv。liru

，5個額定功率為100 kWdechongdianzhuangjiangchanshengbanzhaowadefengzhigonglv。jinjinyikaodianwanglaiweichiduogechongdianzhuangdezhezhongfengzhigonglvshijishangshibukenengde
，erzhexiechongdianzhuangjiangzaiquanguofanweineipengbofazhan。weilenenggouzaiyitianzhongkekaoditigongnengyuan，nengyuanjianglaizidianwang，bingzaigudishijianzhuanyidaogaoyaESS。此外
，太陽能將支持儲存的能量池
，以幫助維持能量水平[20]。

 

圖10. 儲能和太陽能與電動汽車充電樁整合的可能框圖

 

這種配置將引起對不同結構的直流充電器的需求，其中整流PFC級和DC-DC級是獨立的單元。圖10顯示了這種裝置的一個例子。在前端
，三相PFC升壓級（AC-DC）將電力從電網輸送到DC BUS。在後端

，該SC-DC雙向轉換器提供的由太陽能光伏發電產生的能量被送入電動車充電器（DC-DC轉換器）或保存在ESS中。綁定在車輛上的降壓型DC-DC轉換器將使其輸出電壓適應電池兼容的電壓水平400 V-1000 V。

 

什麼是快速直流充電器中使用的常見拓撲結構和功率器件
？

 

在上一節中，已經介紹了快速DCEV充電基礎設施的標準配置，以及未來可能的典型基礎設施。下麵介紹當今快速DCEV充電器中使用的典型電源轉換器拓撲結構和AC-DC和DC-DC的功率器件的概況。

 

有源整流三相PFC升壓拓撲結構

 

前端三相PFC升壓級可以用多種拓撲結構實現，而且幾種拓撲結構可以滿足相同的電力要求。在 "解密三相PFC拓撲結構 "中詳細介紹和討論了每種拓撲結構的利弊和操作。圖11展示了快速直流電動車充電應用中常見的PFC架構。它們之間的一個首要區別是雙向性。T-中性點鉗製（T-NPC）和I-NPC拓撲結構通過用開關取代一些二極管而適合雙向操作。6個開關的結構是一個雙向的perse。

 

圖11. 用於快速直流電動車充電的典型三相功率因素校正（PFC）升壓拓撲結構。

 

T-NPC（左上）、6開關（右上）和I-NPC（底部）

 

另一個影響設計和功率器件額定電壓的重要因素是架構中的級數。6個開關的拓撲結構是一個2級架構，通常用900 V或1200 V的開關來實現快速直流電動車充電器。這裏SiC MOSFET-模塊具有低RDS on（6-40 mQ）區域的首選解決方案，特別是對於每塊15 kW以yi上shang的de高gao功gong率lv範fan圍wei。這zhe種zhong集ji成cheng表biao現xian出chu比bi分fen立li解jie決jue方fang案an更geng優you越yue的de功gong率lv性xing能neng，提ti高gao了le能neng效xiao，簡jian化hua了le設she計ji，減jian小xiao了le整zheng個ge係xi統tong的de尺chi寸cun
，並bing最zui大da化hua可ke靠kao性xing。T-中性點箝位（T-NPC）是一種3級拓撲結構，使用1200 V整流器（以雙向形式用開關代替），中性點路徑上有650 V開關背對背。I-NPC是一個3級架構，可能完全用650  V開關實現。650  V SiC MOSFET或IGBT與共包二極管代表了這些3級拓撲結構的優秀替代方案。

 

圖12. F1-2 PACK SiC MOSFET模塊半橋。1200 V,10 mQ

 

DC-DC拓撲結構

 

在研究DC-DC轉換級時，主要采用了三種隔離拓撲結構：全橋LLC諧振轉換器
、全橋移相雙有源橋（DAB）零電壓過渡（ZVT）轉換器和全橋移相ZVT轉換器（圖13
、14和15）。

 

全橋LLC諧振

 

LLC轉換器在初級端實現了零電壓開關（ZVS），同時--在諧振頻率及以下--在次級端實現了零電流開關（ZCS），從而在諧振頻率附近產生了非常高的峰值效率。作為一個純粹的頻率調製（FM）係統，當係統工作點偏離諧振頻率時，這可能是需要寬輸出電壓操作時的情況，LLC的能效就會下降。然而，先進的混合調製方案使今天的脈衝調製（PWM）與調頻相結合，限製了最大頻率失控和高損耗。不過，這些混合實現方式還是給已經有時很麻煩的LLC控製算法增加了複雜性。此外
，並聯的LLCs轉換器的電流共享和同步也不是件容易的事。一般來說，當有可能在相對較小的電壓範圍內工作時
，和/或當具備實施結合調頻和PWM的先進控製策略的開發技能時，LLC是一種難以超越的設計。它不僅可以提供最高的能效，而且從各個角度看都是一個非常全麵的解決方案。LLC可以作為CLLC以雙向形式實現，這是另一種複雜的拓撲結構。

 

圖13. 全橋LLC轉換器

 

帶有次級同步整流拓撲結構的移相全橋DAB也非常典型。這些都是用PWM工作，一般來說
，需要比LLC轉換器更簡單的控製。DAB可以被認為是傳統的全橋移相ZVT轉換器的演變，但漏電感器在初級端，這簡化了繁瑣的次級端整流，減少了二次開關或二極管的必要額定擊穿電壓。由於實現了ZVT，這些轉換器可以在很寬的輸出電壓範圍內提供穩定的高能效。這對於支持800 V和400 V電池電壓水平的充電器來說是個方便的因素。DAB的PWM工作帶來了好處。首先
，它傾向於使轉換器的電磁幹擾（EMI）頻譜比調頻係統中的更緊密。此外，用固定的開關頻率，係統在低負載時的行為更容易解決。通過同步整流，DAB是一種雙向的原生拓撲結構，是快速電動汽車充電器的最通用的替代方案和合適的解決方案之一。

 

圖14.全橋移相式DAB ZVT轉換器

 

對於單向操作，傳統的全橋移相ZVT（圖15）仍然是一個可用的選擇，但滲透率越來越低。這種拓撲結構的工作與DAB類lei似si
，但dan位wei於yu次ci級ji端duan的de電dian感gan器qi在zai整zheng流liu中zhong帶dai來lai一yi個ge顯xian著zhu的de差cha異yi。電dian感gan器qi在zai二er極ji管guan上shang設she置zhi了le高gao的de反fan向xiang電dian壓ya
，這zhe將jiang與yu占zhan空kong比bi成cheng正zheng比bi和he反fan比bi，因yin此ci
，根gen據ju工gong作zuo條tiao件jian，二er極ji管guan上shang的de反fan向xiang電dian壓ya可ke能neng超chao過guo輸shu出chu電dian壓ya的de兩liang到dao三san倍bei。這zhe種zhong情qing況kuang在zai高gao輸shu出chu電dian壓ya的de係xi統tong中zhong（如電動車充電器）可能具有挑戰性

，通常多個次級繞組（具有較低的輸出電壓）被(bei)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)。這(zhe)樣(yang)的(de)配(pei)置(zhi)並(bing)不(bu)那(na)麼(me)方(fang)便(bian)
，特(te)別(bie)是(shi)如(ru)果(guo)考(kao)慮(lv)到(dao)功(gong)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)的(de)額(e)定(ding)值(zhi)
，不(bu)同(tong)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)含(han)單(dan)一(yi)輸(shu)出(chu)將(jiang)提(ti)供(gong)相(xiang)同(tong)或(huo)更(geng)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)。

 

SiC-模塊代表了上述DC-DC電源轉換級中全橋的一個非常合適和常見的解決方案，起價為15 kW。更高的頻率有助於縮小變壓器和電感器的尺寸，從而縮小整個解決方案的外形尺寸。 

 

圖15. 全橋移相ZVT轉換器

 

拓撲結構的變體

 

所討論的拓撲結構存在多種變體，帶來額外的優勢和折衝。圖16顯示了用於快速電動車充電的全橋LLC轉換器的一個常見替代方案。在移相中，開關在輸入電壓的一半以下
，並使用600 V和650 V的斷電電壓器件。650 V SiC MOSFET
、650 V SuperFET 3快速恢複（FR）MOSFET和650 V FS4 IGBT將有助於解決不同的係統要求。同樣，用於出極端的二極管和整流器需要650 V的阻斷電壓等級。這些3jijiagouyunxudanjikaiguan，zheyouzhuyujianshaofengzhidianliuhedianliuwenbo

，zhejiangdaozhiyonggengxiaodebianyaqi。zhezhongtuopujiegoudezhuyaoquedianzhiyishi
，yujuyoujiaoshaodianyuankaiguande2jibanbenxiangbi
，kongzhisuanfaxuyaoewaidefuzachengdu。shuangyouyuanqiaoyijishuangyouyuanqiaokeyihenrongyidizaichujiduanhecijiduanbinglianhuoduidie
，yizuipeihekuaisudiandongqichechongdianqidedianliuhedianyaxuqiu。

 

圖16. 3級全橋LLC

 

這種變體在初級端堆疊（隻有一半的輸入電壓應用於每個變壓器），在次級端並聯

 

次級端整流

 

關於次級端整流，如圖15所示，可以有多種解決方案，而且都可以使用不同的拓撲結構。對於400 V和800 V的電池水平和全橋整流，650 V和1200 V的SiCxiaotejierjiguantongchangshidutedexingjiabijiejuefangan。youyuqilingfanxianghuifutexing，yuguijitidaipinxiangbi
，zhexieqijiandadazengqianglezhengliuxingnenghenengxiao，dadajiangdilesunhaohezhengliujidefuzaxing。guijierjiguan，ruHyperfast
、UltraFast和Stealth
，可以作為成本非常有限的項目的替代品，但要犧牲性能和複雜性。采用中心抽頭整流的解決方案（圖15）對(dui)於(yu)高(gao)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)整(zheng)流(liu)級(ji)來(lai)說(shuo)並(bing)不(bu)方(fang)便(bian)。與(yu)全(quan)橋(qiao)整(zheng)流(liu)不(bu)同(tong)的(de)是(shi)
，在(zai)全(quan)橋(qiao)整(zheng)流(liu)中(zhong)

，二(er)極(ji)管(guan)的(de)標(biao)準(zhun)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)等(deng)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)
，而(er)在(zai)中(zhong)心(xin)抽(chou)頭(tou)配(pei)置(zhi)中(zhong)，二(er)極(ji)管(guan)要(yao)承(cheng)受(shou)這(zhe)個(ge)數(shu)值(zhi)的(de)兩(liang)倍(bei)。常(chang)規(gui)的(de)全(quan)橋(qiao)移(yi)相(xiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)（電感在次級端），正如所解釋的那樣
，在兩種整流方法（全橋或中心抽頭整流）中都需要更高的擊穿電壓二極管。為了克服常規全橋移相轉換器對1200 V或1700 V額定二極管的需求，幾個輸出將被串聯起來。

 

其他重要的設計考慮因素

 

除了電源轉換器中的拓撲結構和開關器件外，在開發快速電動車充電器時，還有其他重要領域需要考慮
，尤其是在使用SiC開關在高頻率下工作時。

 

門極驅動係統：

 

在所有的拓撲結構中，驅動係統仍然是快速直流電動車充電器的一個重要方麵，對係統性能有直接影響。

 

隔離：

 

在zai隔ge離li的de主zhu題ti下xia
，首shou先xian要yao考kao慮lv的de問wen題ti之zhi一yi。鑒jian於yu快kuai速su直zhi流liu電dian動dong車che充chong電dian器qi所suo討tao論lun的de高gao功gong率lv和he高gao電dian壓ya，電dian隔ge離li對dui於yu高gao端duan驅qu動dong器qi是shi必bi須xu的de。對dui於yu低di端duan同tong類lei產chan品pin，盡jin管guan從cong安an全quan角jiao度du看kan並bing非fei總zong是shi嚴yan格ge必bi要yao的de，但dan常chang見jian的de做zuo法fa是shi使shi用yong與yu高gao端duan相xiang同tong的de門men極ji驅qu動dong係xi統tong和he電dian路lu。這zhe種zhong方fang法fa帶dai來lai了le多duo種zhong好hao處chu，包bao括kuo解jie決jue方fang案an的de實shi施shi和he係xi統tong的de穩wen健jian性xing。一yi方fang麵mian，它ta有you利li於yu同tong一yi半ban橋qiao上shang的de開kai關guan器qi件jian之zhi間jian的de延yan遲chi匹pi配pei。這zhe簡jian化hua了lePWM序列和死區時間的控製和實施，以防止擊穿事件。此外，隔離驅動器通過最大限度地提高其共模瞬態抗擾度（CMTI）來增強係統的堅固性，這在使用快速開關寬禁帶技術在高dV/dt驅動時特別重要，如SiC。這裏還需要指出的是
，采用開爾文連接的電源開關需要一個浮動或電隔離的驅動器（在高端和低端）來獲得配置的好處
，因為它將大大減少損耗和提高傳播時間。

 

片上保護和功能:

 

門極驅動器的另一個關鍵考慮因素是片上集成功能（除電隔離外）和保護。根據係統的要求和開關的類型
，可能需要過電流保護（"DESAT"）--IGBT和SiC MOSFET的典型保護--米勒鉗製（避免錯誤開啟）。包括這些或其他必要的封裝功能可以實現緊湊的係統
，並最大限度地減少布局中的寄生電感，這是使用SiCdegaokaiguanpinlvxitongdejibenyaoqiu。zaishuzikongzhidexitongzhong

，neizhibaohuyefeichangfangbian，keyitigongbanzaibaohu。zaixitongnengxiaofangmian，menjiqudongqidejieshouduanheyuanduannengliduiyutongguokuaisuchongdianhefangdianjishengmenjidianrongshixiankuaisukaiguanzhuanhuanzhiguanzhongyao。zaishiyongSiC技術時，這在高功率應用中特別重要
，因為這比基於Si的IGBT或SJ MOSFET實現更快的轉換。

 

電隔離門極驅動器係列具有3.5 kV和5 kV額定值的NCD57XXX和NCD51XXX為開發快速電動車充電器帶來設計靈活性和係統可靠性
，在片上集成了多種功能和保護措施
，並顯示出高達9 A的驅動電流能力。該產品組合包括單通道驅動器，如NCD57000/1、NCD5708x、NCD5709x
、NCP51152/7，以及雙通道驅動器
，如NCP51561、NCP51563和NCD57252/256，以滿足所有使用情況。

 

 

圖17. 電隔離的單通道和雙通道門驅動器框圖

 

驅動器電源:

 

與門極驅動器相鄰的一個話題是驅動它們所需的隔離電源。SiC開關的最佳性能是通過+20 V – 5 V的偏置電壓實現的，而IGBT通常需要+15 V/0 V或15 V。更多的細節可以在"Gen11200VSiCMOSFETs & Modules: 特性和驅動建議"。同樣，對於門極驅動器來說，電源需要緊湊和堅固
，確保在所有工作條件下有穩定的電壓軌。圍繞NCV3064開關穩壓器的電源，如LVDCDC3064-IGBT和LVDCDC3064-SIC有助於滿足這些需求。

 

保護措施:

 

快kuai速su直zhi流liu電dian動dong車che充chong電dian的de另ling一yi個ge重zhong要yao考kao慮lv因yin素su是shi係xi統tong中zhong必bi要yao的de安an全quan保bao護hu
，尤you其qi是shi法fa規gui所suo規gui定ding的de安an全quan保bao護hu。強qiang製zhi性xing保bao護hu是shi針zhen對dui車che外wai的de接jie地di故gu障zhang電dian流liu（GFC）

，以防止對人體產生危險的電擊風險。特別是，充電電路中斷裝置（CCID）是專門為EV充電而開發的，IEC61851-1（前麵討論過）和UL 2231-1/2標準分別對其在歐洲/亞洲和北美的實施進行了規範。FAN4147和NCS37014 GFC中斷器滿足這些法規的要求，為開發符合安全要求的EVSE提供了現成的解決方案。

 

輔助電源:

 

輔助電源單元（PSU）在電力係統中無處不在，快速直流電動車充電也不例外。隔離反激拓撲結構是方便和可靠的選擇
，可以提供低壓係統所需的典型的10-40 W。tebieshi

，duiyukuaisuzhiliudiandongchechongdian
，zhiliumuxiandedianyashuipingshiyingxiangzhenggexitongdezhuyaoyinsuzhiyi。xianzaidequshishitigaozhexieshuiping
，yijianshaotedinggonglvshuipingdefengzhidianliubingtigaonengxiao。rujin，zhiliumuxiandianyashuipinggaoda800 V（甚至更高）是很常見的，並不是所有的傳統方案都適合電動汽車充電。在這裏
，圍繞NCP1362準諧振穀初級端開關或NCP1252和NCP12700次級端控製器開發的PSU可以幫助解決這些需求。在開關方麵，具有高RDS on（160 mOhms）的1200V SiC MOSFET正在被迅速采用，因為它們帶來了出色的性價比，是900 V DC係統的最佳方案。

 

歸結一切

 

在本博客的第一章節
，我們已經看到了電動車市場的增長是如何加速的，以及為什麼隨著更多的電動車上路，快速直流充電需要（也將）保持吸引力。在過去的大多月份裏，指向這一方向的新聞如雨後春筍般湧現，其中一個是美國總統宣布的到2030年建立50萬個直流充電樁網絡的計劃[21]。qizuizhongmubiaoshituidongdiandongchechengweizhuliu，baituoyineiranjiweijichudejiaotonggongju
，bingyingduiqihoubianhua。kuaisuhechaokuaisudezhiliuchongdianzhuangshidiandongqichedeyigeguanjianzhizhu，yeshiwanchengshengtaixitongdeyigebukehuoquedeyuansu

，zaijiatingzhongkeyishiyongjiaodigonglvdejiaoliuchongdiantidaipin，yinweikeyizaijiaochangshijianneichongdian。zuoweiyigexinshengde
、快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)市(shi)場(chang)
，快(kuai)速(su)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)車(che)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)要(yao)求(qiu)和(he)使(shi)用(yong)案(an)例(li)在(zai)不(bu)斷(duan)升(sheng)級(ji)
，留(liu)下(xia)了(le)一(yi)個(ge)需(xu)要(yao)各(ge)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)和(he)不(bu)同(tong)優(you)化(hua)的(de)空(kong)間(jian)。不(bu)過(guo)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)的(de)共(gong)同(tong)點(dian)將(jiang)是(shi)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)
、電壓水平和能效。此外，隨著此類基礎設施的大規模推出，競爭格局變得更加嚴酷，安裝的投資回報率也將需最大化
，預計對尺寸、重量、成本和可靠性的限製也會加強。現在，SiC功率技術正在成熟，其價格正在達到有吸引力的水平，這為先進的SiC功率集成模塊技術的發展留下了空間。更高的能效和優越的熱性能，使充電係統更輕、更小、成本更優化，可提供高達400 kW的功率。除了SiC技術和功率模塊的內在優勢

，充電器的可靠性仍然是有效和廣泛部署電動車的基石。安森美半導體不僅是SiC技術和功率集成模塊的一個領先供應商，而且在質量上與眾不同。作為極少數擁有SiC完整供應鏈的供應商之一，安森美半導體確保我們的SiC分立及模塊產品的最高質量和可靠性標準
，以及卓越的運營和靈活性。

 

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繼續學習:

 

●    開發一個25 kW的基於SiC的快速直流充電器

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●    揭開三相PFC拓撲結構的神秘麵紗 

 

 

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