【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計技巧，以及由安森美（onsemi）所推出的相關解決方案。
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計技巧，以及由安森美（onsemi）所推出的相關解決方案。
直流快速充電技術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，是現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。
其中的關鍵技術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，因此需要根據電動汽車的需求和充電設備的規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備，通常設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生過熱、過充或其他安全風險。一般來說，充電設備和電動汽車都會具有相應的安全保護機制，但使用者仍應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、充電設備和充電安全等方面的問題，確保充電過程安全可靠。
SiC模塊是直流快速充電技術的關鍵元器件
碳化硅（SiC）模塊是直流快速充電技術中的關鍵元器件，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的電源模塊，SiC電源模塊的目的是通過開關轉換電力，以提高系統效率，SiC模塊的主要功能是轉換電力。碳化硅比硅具有優勢，因為離開電源時的阻抗較小（由于效率提高），SiC器件可以在更高的開關頻率下運行。基于SiC的系統比硅解決方案更緊湊、更輕，可實現更小的設計。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，安森美對SiC技術和封裝解決方案進行持續創新，將有助于簡化電動汽車充電器的設計流程。安森美憑借著全面的分立電源和模擬解決方案、保護、傳感和連接等產品組合，可提供高質量元器件，并根據客戶的需求定制系統，結合安森美在過去20年中不斷積累的系統專業知識，能夠同時將所有這些技術結合在一起，提供全面的解決方案。
設計快速電動汽車充電器所面臨的挑戰
想要設計一個緊湊、高效、可靠的快速電動汽車充電器并不是一件容易的事。除了實際的轉換電路之外，硬件保護技術也至關重要，需要設計人員分析多種“假設”場景，解決方案將包括由無源RC網絡和區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動器。
過流問題相當具有挑戰性，安森美推出的NDC57000柵極驅動器，具有過流去飽和保護（DESAT）功能，因此可以在對BOM和產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試期間尤其重要，尤其是啟動階段，此時最有可能發生不可預測的切換。
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。作為測試的結果，可以將理論值與實際值進行比較，并進行設計調整。
對于主雙有源橋（DAB）DCDC轉換器，也可使用NDC57000，依靠壓降來監控電流水平。然而，這種方法對器件特性很敏感，雖然數據表已包含一些信息，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，以便更準確地設置參數。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。DESAT保護的離散增強功能，可為輸出電壓跨度高達200-1000V的DCDC級設計人員，提供寬工作電壓范圍解決方案。
SiC技術的顯著優勢之一是其能夠在高頻下運行。然而，這意味著快速的dv/dt轉換速率，會對25 kW快速充電器的物理布局產生影響，必須優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生EMI問題的過沖和振鈴。
系統級控制是另一個重要領域，25 kW快速充電器在PFC和DAB內配備多個閉環控制器，用于控制變壓器有源磁通平衡和初級到次級相移等參數，從而控制輸出電壓和電流。這里的一個挑戰是選擇每個環路的增益，以便整個系統不會變得不穩定。
由于測試需要高功率設備，設計人員通常會在工作臺上構建具有兩個PFC級和一個DAB的環回布置，以允許在受控條件下進行安全測試。環回測試也適用于大規模生產的老化階段，其中被測器件的能量得到恢復，這可以節省大量的制造成本，以實現世界上的低碳排放使命。
具備高系統效率和可靠性的IGBT驅動器
安森美的NCD57000是一款具有內部電流隔離的大電流單通道IGBT驅動器，專為高功率應用中的高系統效率和可靠性而設計。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）驅動器輸出，以方便系統設計。
NCD57000在輸入側可容納5V和3.3V信號，在驅動器側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。
為了加快客戶的產品開發速度，安森美也推出了NCD57000的參考設計套件。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 400V/800V電池的雙向功率轉換，符合 EN55011 A 級和 IEC 61851 規范，集成了半橋、1200V、10 mohm SiC M1 MOSFET的NXH010P120MNF1 SiC 模塊，以及隔離式大電流、高效率柵極驅動器 NCD57000。
結語
直流快速充電技術是電動汽車充電領域的一大突破，為電動汽車的普及和使用提供了更便捷、高效的充電方式。隨著科技的不斷發展和應用，直流快速充電已經成為現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計技巧，以及由安森美所推出的相關解決方案，將有助您加速開發直流快速充電相關產品，搶占市場先機。
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