设计高效、强大、快速的电动汽车充电站

随着电动汽车(EV)数量的增加,全球范围内对于创建更加节能的充电基础设施系统的需求也越来越多,而且这些系统和以往相比,可以更快地为车辆充电。与先前的电动汽车相比,新型电动汽车具有更高的行驶里程和更大的电池容量,因此需要开发快速直流充电解决方案以满足快速充电要求。根据联合充电标准系统(CCS)和CHArge de MOve(CHAdeMO)标准,直流充电站是一种3级充电器,可提供120千瓦至240千瓦的功率。如今,150千瓦的充电站需要约30分钟才能为电动汽车充入足够的电量,并使其行驶约250公里。设计一个可以处理如此大功率的单功率处理单元需要采用难以控制的复合多级拓扑结构。

在现代充电站中,一种将功率输出缩放到快速充电所需电平的方法是使用并联堆叠的模块化功率转换器。由于直流充电站占用了大量空间,因此功率转换器必须是模块化的,且针对高效率和高功率密度进行了优化。

电池组有两条充电路径。第一条路径是电网直接连接到车辆内部的车载充电器(OBC)。此种OBC具有AC/DC和DC/DC功率转换单元,通常额定功率高达6.6kW。在住宅和商业应用中,这些OBC能够在8到17个小时内为电池充电。第二条路径是使用单独的物理充电站。图1所示为充电站的系统架构。该路径由安装在车辆外部的用于连接电网和电池的一组AC/DC和DC/DC功率处理单元组成。这些转换器堆栈绕过OBC直接连接到电池。由于这些转换器未安装在车辆内部,因此可以设计成高功率电平,从而实现快速充电。

 图1:直流充电站架构

提高功率密度的第一步是为功率级选择合适的拓扑结构和组件。与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比,像碳化硅(SiC)这样的宽带隙器件可以阻断极高的DC链路电压。转换器可在更高电压下工作,从而减少所需功率传输的电流量。负载电流量降低的直接影响是铜线使用量也会相应减少,从而实现了功率密度的增加。

过渡到更高的直流电压也使高质量增强隔离更加得到重视。我们的电容隔离技术包括UCC21530UCC21710ISO5852S等栅极驱动器,可提供高达5.7 kVrms的增强隔离,从而使这些器件适用于SiC/IGBT应用。图2所示为采用SiC宽带隙器件的优势。

 图2:SiC在增加充电站功率密度方面的优势

功率级中的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)有助于通过向高达1000 V/1500 V的直流链路电压移动来实现高功率密度。使用多级拓扑设计高功率转换器(尤其针对10 kW及以上的转换器)非常重要,因为它可降低器件上的电压应力,并使总谐波失真保持在可接受的水平。

我们的“三级三相SiC交流/直流转换器参考设计”显示了一个T型三电平转换器,其中T型臂中的开关只需要阻断一半的直流链路电压,从而能够选择由ISO5852S驱动的低成本、低压阻断器件,并大大节省成本。LMG3410R070等器件也可用于逆变器的T型分支。拓扑选择在转换器的双向操作中也起着至关重要的作用,这对于车辆到电网的应用非常重要。

开关频率直接影响磁性元件和其他无源元件的尺寸。当在高开关频率下运行时,电感器和变压器的尺寸呈线性减小。在功率级中使用SiC MOSFET使得能够在高开关频率下运行,从而提高功率密度。SiC器件具有出色的导通电阻和开关特性,还可最大限度地降低总损耗,从而有助于实现高功率密度。此外,效率的提高也意味着散热解决方案得到改善,组件之间散热较少也可提高功率密度。我们的C2000实时控制器可与SiC MOSFET完美配对,可提供这些高频系统所需的性能和灵活性。软件频率响应分析器补偿设计器等工具可轻松实现数字控制算法。

我们的高品质组件和系统专业知识可帮助您克服电动汽车快速充电的挑战。三相三级参考设计以及“适用于 3 级电动汽车的双向双有源电桥参考设计”均作为双向转换器运行,效率高于97%,功率密度约为1.4 kW/L(用于AC/DC级)和1.9 kW/L(用于DC/DC级)。这些设计演示了如何使用我们的栅极驱动器、实时控制器和传感技术来驱动功率级的SiC MOSFET,并测量电压和电流。它们有助于应对设计高效、高功率密度、快速电动汽车充电站的挑战。