【導讀】充電時間是消費者和企業評估購買電動汽車 (EV)的一個主要考慮因素。為了縮短充電時間，業界正轉向采用直流充電樁 (DCFC) 。DCFC 繞過電動汽車的車載充電器，直接向電池提供更高的功率，從而大大縮短充電時間。

充電時間是消費者和企業評估購買電動汽車 (EV)的一個主要考慮因素。為了縮短充電時間，業界正轉向采用直流充電樁 (DCFC) 。DCFC 繞過電動汽車的車載充電器，直接向電池提供更高的功率，從而大大縮短充電時間。

為了實現更快的充電速度
、適配更高的電動汽車電池電壓並提高整體能效，DCFC 必須在更高的電壓和功率水平下運行。這給 OEM 帶來了挑戰，必須設計出一種能夠優化效率，同時不影響可靠性和安全性的架構。

DCFC 集成了多種器件，包括用於輔助電源、感測、電源管理、連接和通信的器件。另外，為了滿足各種電動汽車不斷發展的充電需求
，必須采用靈活的製造方法，這也使設計變得更加複雜。

         圖 1. DCFC 中的主要模塊概覽

快速和超快速充電

圖 2 顯示了交流充電和直流充電之間的差異。對於交流充電（圖 2 左側），車載充電器 (OBC) 插入標準交流插座。OBC 將交流電轉換為適當的直流電為電池充電。對於直流充電（圖 2 右側），充電樁直接給電池充電。

圖 2.交流充電和直流充電概念圖。資料來源：Yolé Development

目前電動汽車的 OBC 依賴交流充電，最大額定功率為 22 kW。直流充電繞過了 OBC，直接向電池輸送直流電，因此能提供高得多的功率，從 50 kW 到 400 kW 以上甚至更高。

由於這個原因
，DCFC 常被稱為“快速”或“超快速”充chong電dian樁zhuang。如ru此ci高gao的de充chong電dian速su度du和he更geng大da的de便bian利li性xing為wei電dian動dong汽qi車che帶dai來lai了le更geng多duo的de應ying用yong和he用yong例li。例li如ru，電dian動dong汽qi車che如ru果guo需xu要yao八ba小xiao時shi才cai能neng充chong滿man電dian，是shi不bu適shi合he長chang途tu駕jia駛shi的de，但dan借jie助zhu超chao快kuai速su充chong電dian樁zhuang，電dian動dong汽qi車che可ke以yi在zai短duan暫zan的de休xiu息xi時shi間jian內nei大da量liang充chong電dian，增zeng加jia車che輛liang的de續xu航hang裏li程cheng，使shi其qi更geng加jia適shi合he日ri常chang使shi用yong。因yin此ci，從cong現xian在zai到dao 2030 年，快速直流充電樁的複合年增長率預計將超過 30%（來源：Yolé Development）。

碳化矽 (SiC) 和功率集成模塊 (PIM) 技術的進步，是促進向更快速充電轉變的關鍵驅動力。SiC 使 DCFC 能夠以更高的頻率運行（因而效率也更高）
，同時以更快的速度提供更多功率。PIM 使 OEM 能夠快速將先進的技術集成到緊湊、輕便的設備中，並實現出色的熱管理、可靠性和可製造性

，從而加快 SiC 技術的普及。

DCFC 剖析

如圖 3 所示，直流充電樁主要包括兩級：AC-DC 級和後續 DC-DC 級。AC-DC 級將來自電網的交流電轉換為直流電，而第二級確保以適合電池所需的電壓和電流水平提供功率。

圖 3. DCFC 的架構

對於商業應用
，3 級充電樁需要使用三相電源（圖 4），可以在短短 30 分鍾內增加 100 多英裏的續航裏程。在將電動汽車技術引入運輸和物流等應用方麵，這些超快速充電樁將發揮重要作用。

圖 4. 單相電網的功率流（左），三相電網的功率流（右）

圖 5. 快速直流充電樁的架構

3 級 DCFC 的前端由三相功率因數校正 (PFC) 升壓級組成，可以是單向或雙向
；升壓級可以采用各種拓撲（二電平或三電平）實現。PFC 級接受電網電壓（400 EU
、480 US），並將其升壓至 700 至 1000 V。對於下一代充電樁
，業界已經瞄準了更高電壓。

在升壓級之後，DC−DC 隔離級將總線電壓轉換為所需的輸出電壓。此電壓需要與電動汽車電池的充電曲線保持一致。因此
，DC-DC 輸出可能需要在 150 V 至 1500 V 之間擺動
，具體電壓取決於電池和所處的充電階段。轉換器通常針對特定電壓水平（常見為 400 V 或 800 V）進行優化。為了實現更高的功率水平，DCFC 會將多個功率模塊（圖 6）堆疊起來並聯運行。

為了在此類高電壓下實現更高的效率，業界正從分立式

、IGBT 和混合方案轉向 SiC 功率集成模塊 (PIM)。（圖 7）除 PIM 之外，DCFC 還需要多種功率器件
，包括柵極驅動器 IC、數字隔離器
、電源 IC（LDO、SMPS 等）和電流檢測。

圖 6. 300 kW DCFC 中的 12 x 25 kW 構建模塊

圖 7. 機電設計比較

通信和連接也是 DCFC 設計的關鍵方麵。堆疊的模塊需要能夠與充電樁控製器通信，車輛和充電樁必須就充電序列進行通信（CAN 或 PLC）。獨立的快速直流充電樁還需要能夠處理充電相關的支付。最後，充電樁需要管理自身的維護
、軟件升級等（例如通過藍牙低功耗、Wi-Fi 4、LTE）。實際標準由所使用的直流充電協議規定，例如 IEC−61851 / SAE1772
、GB/T
、CHAdeMO
、組合充電係統 (CCS) 或特斯拉超級充電樁（圖 8）。

連接器類型

圖 8. 交流和直流快速充電樁的架構

DCFC 關鍵設計考慮因素

設計 DCFC 時，有多個關鍵因素需要考慮，這些因素會影響架構設計和器件選擇：

目標效率：

確定應優化效率的電壓和功率範圍。充電樁在充電期間在不同的電平運行，因此係統應針對對電力傳輸效率影響最大的電平進行優化。

分立式設計還是功率集成模塊 (PIM)：

分立式設計的靈活性更大
，但開發過程也更複雜（圖 7）。duiyuxuduoyingyongeryan，mokuaizaixiaolvfangmiandezhuduoyoushishifenlishishejinanyiqijide。liru，mokuaijiangduogegonglvqijianjichengzaidangejincoudefengzhuangzhong

，jianhualejixiezuzhuang，youhualereguanli，tigaolekekaoxing
，bingjianshaoledianyajianfenghegaopin EMI。

架構/拓撲結構：

所選擇的拓撲結構（即二電平還是三電平）以及充電樁需要單向運行還是雙向運行，都會影響器件的選擇。實現直流充電樁 PFC 和 DC-DC 級的拓撲結構選項有許多。由於功率和電壓水平非常高，許多 OEM 的首選架構一般是三級功率因數校正 (PFC)。PFC 設計最常用的拓撲結構有三開關 Vienna（單向）
、NPC、A-NPC
、T-NPC（雙向替換二極管）和六開關（雙向） 。DC−DC 級通常以全橋或相移 LLC 及其變體實現，並采用雙有源橋 (DAB) 架構支持雙向拓撲結構。這些拓撲結構包括二電平和三電平係統
，它們分別采用 600 至 650 V 或 900 至 1200 V 開關和二極管。（進一步了解拓撲結構：快速直流電動汽車充電：係統中使用的常見拓撲和功率器件）

約束條件：

應注意物理係統約束
，包括尺寸、重量、成本和其他需要考慮的限製因素。例如，如果尺寸和重量很重要
，那麼選擇基於 SiC 的模塊將能降低總體布線要求
，減小係統尺寸
，並減輕車重。

熱管理：

管理散熱對於維持效率
、可靠性和係統使用壽命至關重要。使用 SiC 器(qi)件(jian)以(yi)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)運(yun)行(xing)
，可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)
，提(ti)升(sheng)效(xiao)率(lv)
，並(bing)減(jian)少(shao)需(xu)要(yao)管(guan)理(li)的(de)熱(re)量(liang)。此(ci)外(wai)，許(xu)多(duo)模(mo)塊(kuai)還(hai)針(zhen)對(dui)使(shi)用(yong)極(ji)低(di)熱(re)阻(zu)材(cai)料(liao)的(de)熱(re)傳(chuan)遞(di)進(jin)行(xing)了(le)優(you)化(hua)。

仿真模型：

擁有器件和模塊的精確模型可以大大簡化和加速設計過程，尤其是在權衡多種設計方案時。

通信：

明確特定應用需要哪些標準和協議。確保所選的供應商和產品係列支持所有可能需要納入的標準
，以支持當今和未來的電動汽車。

保護：

根據法規要求，必須配備接地故障斷路 (GFI) 功能。其他功能（如浪湧電流和過壓保護）也至關重要。係統中如何集成這些功能（即單獨的電路、功率級的一部分、集成在模塊上等），將會影響對其他係統約束條件的優化。

先進的充電架構

理想情況下
，電動汽車在非高峰時段充電。這會大大降低電力成本
，並減少高峰時段電網的負荷
，避免造成停電。

為了實現這一目標，直流充電樁需要與儲能係統 (ESS) 和太陽能發電係統集成。ESS 在非高峰時段充電，儲存電力以供白天使用。通過安裝太陽能電池板以在白天發電，可以減少對 ESS 電力的消耗，從而減輕 ESS 的負荷。在這種配置中，DC/DC 轉換器可以連接到高壓總線來為電動汽車充電。

圖 9. 由可再生太陽能電池板和儲能設施供電的快速超級充電樁

安森美(onsemi)致力於在供應鏈的所有層麵實現可持續發展。對於希望采用此類先進架構的 OEM，安森美可以幫助他們以高效
、安全、可靠、可持續的方式集成合適的技術。

kuaisuhechaokuaisuzhiliuchongdianshidiandongqichedeweilai。kuaisuzhiliuchongdianzhuangnenggoujiangchongdianshijiansuoduanzhibudaoyixiaoshi
，zhejiangweidiandongqichekaipiyixiliequanxindeyingyonglingyuheshiyongchangjing。

總結

通過了解影響器件選擇的關鍵設計考慮因素

，工程師可以優化大功率直流充電樁架構，實現更高的效率
、可靠性和性能。隨著碳化矽和功率集成模塊等技術的進步，工程師可以更快速地評估和設計複雜係統，而無需作出妥協。由此，OEM 可以迅速且經濟高效地滿足市場的充電需求。而且，OEM 可以與合適的合作夥伴合作
，通過集成儲能係統等新技術來創建更具可持續性的基礎設施，從而不斷提升產品的質量和實用性。

雖然 IGBT 和混合實現方案仍在使用


，但基於 SiC 的功率模塊正迅速成為 DCFC 充電應用的首選方案。安森美提供專用於 DCFC 的現成 PIM 係列，其具有 EliteSiC 900 V 和 1200 V 擊穿電壓額定值。這些模塊支持半橋和全橋拓撲結構，采用 F1 和 F2 封裝，具有極低的 RDSons（3 至 40 mΩ
，具體取決於配置）。此外
，安森美正在開發多種使用 M3S 技術平台的新的 SiC PIM 產品，以進一步為設計人員的係統設計提供更大的靈活性。

安森美還提供豐富的參考設計和硬件

，配備專門的專家應用團隊，為全球電動汽車充電係統設計提供 SiC 驅動器優化和係統方案專業知識
，讓設計人員可以快速評估驅動器並加速應用開發。

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