道路运输占全球二氧化碳排放量的近五分之一，这使得电动汽车（通常指用于运输目的的电动车）成为一个关键的技术领域。随着里程焦虑成为电动汽车的核心问题，工程师们已经将注意力转向电动汽车充电基础设施的主要组成部分：车载充电器 (OBC)、DC/DC 转换器和快速 DC 充电器。
首先，电动汽车面临的主要挑战之一是充电，还有储能和成本。第一代电动汽车的充电速度最慢，功率为 3.7 kW，为 25 kWh 的电池组充电至少需要 8 小时。然而，随着技术的进步，额定功率已经升级到 6.6–22 kW，以实现快速交流充电。
在保时捷、现代和其他汽车制造商的推动下，电动汽车充电基础设施的另一个显著变化是电池电压从 400 V 提高到 800 V。因此，充电器电压从 500 V 增加到 1,000 V，充电器开始使用额定电压为 1,200 V 的电源组件。
在迅速崛起的电动汽车和混合动力汽车设计中，上述转变将对 IGBT、高压栅极驱动器、超结整流器、高压 MOSFET 和高压 DC/DC 转换器等器件的选择产生重大影响。
本文将从功率半导体、微控制器和驱动元件的角度，对当前和未来的电动汽车充电基础设施需求进行初步探讨。
车载充电器
当电动汽车通过合适的电缆连接到充电站时，OBC 负责充电。它提供从基础设施电网为电动汽车中的高压 DC 电池组充电的关键功能。这是一种类似于牵引逆变器的转换设备，但与牵引逆变器恰好相反的是，其功能是将墙上的交流电转换为适合电池的直流电。
OBC 将电网的交流电源电压转换为电动汽车电池组所需的直流电压。（来源：Wolfspeed）
OBC 设计包括两个主要模块：用于 AC/DC 转换的有源前端 (AFE) 和 DC/DC 转换器。AFE 从电网获取单相或三相电力，并将其输出到 DC 中间电压，转换为电动汽车电池快速充电所需的电压。
充电时间，即电动汽车充满电所需的时间，在很大程度上取决于 OBC 的额定功率。因此，毫无意外的是，OBC 已经成为根据原始设备制造商提供的规格决定充电时间的关键设计战场。在这方面，新一代功率半导体使充电速度大大超过以前。
然后还有双向 OBC，可以在必要时帮助补充电网电力。双向 OBC 能够以最小的损耗高效地来回传送电力，可以平衡高密度和高效率，并在充电和放电模式下提供宽输出电压范围。
双向充电顾名思义：电流双向流动。（来源：Wallbox）
从交流充电到直流快速充电
由于技术门槛低、成本低、适应性强，目前大多数充电站都使用交流电源，尤其是在住宅、办公和商业场所。然而，随着充电技术的成熟，高效的直流充电桩正逐渐在高速公路和公共充电站普及开来，因为电动汽车驾驶员并没有太多充电时间。
直流充电解决方案甚至正在进入家庭充电领域，为用户提供新的可能性，因为它们支持快速充电和双向充电。这些充电器绕过安装在电动汽车上的 OBC，直接为电池提供快速直流充电。
对于直流快速充电，标准功率曾经是 150 kW，但我们现在看到的是 350 kW 甚至更高的容量。这些改进可能会继续提高直流快速充电站的容量。因此，电动汽车充电速度会更快，这反过来将有助于确保充电器不会成为让更多电动汽车上路的瓶颈。此外，由于直流快速充电器允许更高的功率水平，充电站可以部署许多充电桩，以便多辆汽车可以同时充电。
在直流快速充电器设计中，最大限度地缩短充电时间，同时优化系统效率是一个主要关注点，这使得电压范围和负载要求成为组件选择的关键设计考虑因素。换言之，功率密度和系统效率对于直流快速充电器中使用的功率组件和模块都至关重要。
以 WolfPACK 为例，Wolfspeed 的电源模块采用 1,200 V 碳化硅 (SiC) MOSFET 构成。在为电动汽车快速充电应用提供服务的同时，它旨在最大限度地提高功率密度和效率，并缩小产品外形尺寸，降低设计复杂性。
SiC 器件是 WolfPACK 电源模块的核心和灵魂。（来源：Wolfspeed）
此外，虽然每个开关都需要一个驱动器，每个驱动器都需要被控制，但微控制器在电动汽车充电设计的温度和电压监控方面发挥着重要作用。这些 MCU 与栅极驱动器和功率器件一起工作，以提高充电效率。
超快电动汽车充电
很明显，电动汽车充电站现在是电动汽车基础设施的重要组成部分。虽然势头明显在 SiC 一边，但在许多电动汽车充电应用中，电动汽车充电设计人员仍然可以使用 650 V 的硅 MOSFET 作为主 DC/DC 级，而不是使用昂贵的 1200 V SiC 器件。同样值得注意的是，IGBT 仍在使用，如 Infineon 的 IKW75N65EH5XKSA1，主要原因在于成本优势。
然而，1,200 V SiC MOSFET，如 Infineon 的 FF8MR12W2M1B11BOMA1，已针对电动汽车充电设计进行优化。再加上基于 SiC 的肖特基二极管，如 IDWD20G120C5XKSA1，您就可以在电动汽车充电基础设施设计路线图上写满 SiC。
同样，Wolfspeed 的 SiC MOSFET 和肖特基二极管，例如 C2M0160120D 和 E3D20065D，分别针对电动汽车充电和 DC/DC 转换器等高压应用进行了设计和优化。这些功率半导体适应了从特斯拉的 400 V 超级充电网络到保时捷 Taycan、起亚 EV6 和通用 Hummer 电动汽车 800V 直流快速充电的转变。豪华电动汽车制造商 Lucid 凭借其 900 V 架构甚至超越了这一水平。
电池电压的提升显然使天平向 SiC 组件倾斜。这也说明了为什么电动汽车充电基础设施，尤其是直流充电器技术，正在迅速发展。
电动汽车最大的绊脚石是驾驶员焦虑，这与电动汽车充电基础设施有着内在的联系。因此，这一领域的设计创新——超快电动汽车充电实现更短的充电时间——将不可避免地推动更多电动汽车的销售和采用。无论如何，组件和设计构件都在那里。