电动汽车充电桩方案

电动汽车充电桩对下一代交通基础设施网络至关重要。

电动汽车维护设备(EVSE)及时高效地为插电式电动汽车(PEV)中的牵引电池充电的能力是开发高功率、高性能、具丰富保护功能的电动汽车(EV)(非车载)充电机的主要驱动力。充电桩按电源能力分类，以处理不同的用例场景。一级充电器是120 V、输出最大15 A的家用充电器，用于从家用交流电源插座进行夜间充电。二级充电适用于输出电流达40 A的家用220 V或商用208 V交流电源插座。对于典型的日常通勤，每充电1小时可增加30英里的行程。直流快速充电(DCFC)桩的额定电压为480 V，125 A直流电流，每充电20至30分钟可增加90至100英里的行程。安森美半导体提供一系列领先行业的功率器件，包括高压MOSFET、IGBT、碳化硅(SiC) MOSFET和二极管，并能将这些器件集成到定制的功率集成模块(PIM)中，以优化性能并加快开发周期。

电动汽车非车载充电机框图

直流快速充电

消费者对这类方案的兴趣很高，原因很明显，他们不想在继续行驶之前等待电池充电。大功率、大电流和高温额定值通常与充电桩质量相关，有时与外部零部件有关;这要求阻断电压额定值超过1200 V的整流器。两个低额定电压值的二极管可以串联安装，但由于压降高一倍会影响能效。也可用碳化硅二极管，但由于采用了“新”技术而成本高昂——下面将对此进行更多比较。

由于DCFC的额定电流是125A，二次整流块需要具有优化传热特性和最小化变压器损耗的磁隔离。还可在次级整流级采用多个二次绕组分接头(secondary winding tap point)拓扑，以满足改进的传热和高输出电流要求。把多个变压器并联可减轻一次绕组(primary windings)上的电流应力，但由于这种方案占位更大，因此会减小功率密度。

高功率产生热量。高效和可靠地提供初级、次级段的空气循环至关重要，尤其是主变压器。一个三相无刷直流(BLDC)电机驱动风扇可防止器件和变压器绕组过热。这将大大减少系统关断/重启事件，因为此非车载DCFC中的每个子系统模块都将配备过温保护(OTP)。BLDC电机所需的电路包括电机驱动控制器、桥电路以及与电动汽车充电器的微控制器单元(MCU)直接通信。

为实现三相交流电源的直流大功率输出，使牵引电池充满电，需要以下大功率块：

•各交流相线(x3)功率因数校正

•全桥LLC 谐振转换器

•次级整流

•阻断二极管以防止反向电流

此外，还需要辅以下列电路：

一次绕组侧：

•高压门极驱动

•电压检测块

•电流检测放大器

•为门极驱动器、电压和电流检测供电的辅助电源块

•电源线通信(PLC)调制解调器

•数字信号处理器(安森美半导体不提供此产品)

•LCD 背光块

•集成门极驱动器的3相BLDC 电机控制器

•驱动无刷直流风扇电机的H桥拓扑(6 x40V MOSFET)

•用于3相/PFC块和主DC-DC级的热传感器，反馈至MCU/DSP

二次绕组侧：

•ADC (安森美半导体不提供此产品)

•隔离光耦

电动汽车非车载充电系统子模块选择

对比高压MOSFET(功率MOSFET)、IGBT和碳化硅器件

电动汽车充电应用要求在高温环境下具有高电压、高电流和高性能。以下是构成电动汽车非车载充电系统的每个子模块(PFC、主DC-DC桥、次级整流器和阻断二极管)中可使用的三种器件的优缺点总结。

功率MOSFET或超结MOSFET是垂直结构。通过将P+一层层堆叠，阻断电压容限比横向构造的低压MOSFET显著增加。除了在反向偏压条件下具有更高的阻断容限外，还使这些堆叠的P+更靠近，增加单元密度。而且，这使得N epi外延层更薄，掺杂更高，导致单位面积的Repi更低，从而使总的硅通态电阻更低，同时具有高的阻断电压额定值。

IGBT具有MOSFET的精密门极控制和作为开关的双极型功率晶体管的极高电流容量。这是因为门极终端通过SiO2绝缘，并且由于是多数载流子器件而具有高电流的优点。它们不具有少数载流子器件如功率MOSFET在关断器件时出现的电流密度方面的缺点。由于注入层为P型，与N型漂移层相连，因此这一大的界面区域必须经历反向恢复，从而导致较长的器件关断期，进而产生长的尾流。

碳化硅是宽禁带器件;带隙为3.3 eV，而上述功率MOSFET和IGBT等硅器件带隙为1.1eV。更宽带隙的优点是更高的击穿电场、更高的热导率和更高的工作温度。漂移区比常规硅器件薄10倍，这就意味着电阻更低，从而实现更高能效的电源方案。