25 kW直流快速电动汽车充电器的设计技巧与解决方案

直流快充提升电动汽车充电效率

直流电（DC）快速充电技术是现代电动汽车（EV）充电的一种关键方式，大幅缩短充电时间，提高用户便利性和效率。

直流快充涉及的关键技术首先是充电标准。目前，有多种充电标准，例如CHAdeMO、组合充电系统（CCS）以及特斯拉超级充电（Supercharger）等。不同品牌和型号的电动车可能支持不同的充电标准，因此在选择充电设备时，确保充电设备与车辆的兼容性非常重要。 

此外，直流快速充电通常相比交流充电提供更高的充电功率，从而实现电池能量的快速传输。充电功率水平对充电速度和效率有着显著影响。因此，根据电动汽车的需求以及充电设备的规格选择合适的充电功率至关重要。

直流快速充电需要专用的充电设备，通常安装在充电站或特定地点。在充电过程中，需要注意充电安全问题，包括避免过热、过充或其他安全风险。一般来说，充电设备和电动车都会配备安全机制。然而，用户仍应对充电过程中出现的任何异常保持警惕，并在必要时迅速采取措施解决或停止充电。与慢充相比，直流快速充电对电池的影响更大。因此，建议适度控制直流快速充电的频率，避免过度使用，以免影响电池的寿命和性能。

尽管直流快充技术有效提升了电动汽车的充电速度和便利性，但在使用过程中，需考虑充电标准、充电功率、充电设备以及充电安全问题，以确保充电过程的安全性和可靠性。

SiC 模块是直流快充技术中的关键组件

碳化硅 (SiC) 模块是直流快充技术中的关键组件，包括 SiC MOSFET 和 SiC 二极管。这些升压模块用于太阳能逆变器的 DC-DC 阶段，采用额定电压为 1200V 的 SiC MOSFET 和二极管。

SiC 模块是使用碳化硅半导体作为开关的电力模块，旨在高效转换电能，从而提高系统效率。SiC 模块的主要功能是进行电能转换。与硅相比，碳化硅由于具有更低的迁移电阻（从而提高了效率），使得 SiC 器件能够在更高的开关频率下运行。基于 SiC 的系统比硅解决方案更加紧凑且更轻便，从而实现更小型化的设计。因此，SiC 器件是提高效率和优化热管理的理想解决方案。

为应对直流快速充电所面临的挑战，onsemi 不断在碳化硅技术及封装解决方案方面进行创新，致力于简化电动汽车充电器的设计过程。利用涵盖离散功率和模拟解决方案、保护器件、传感器以及连接产品的综合产品组合，onsemi 提供高质量组件和根据客户需求定制的系统。凭借超过20年的系统专业知识积累，onsemi 将这些技术整合在一起，为电动汽车充电提供全面的解决方案。

快速电动汽车充电器的设计挑战

设计一款紧凑、高效且可靠的快速电动汽车（EV）充电器并非易事。除了实际的功率转换电路外，硬件保护技术也至关重要，这需要设计人员分析各种“假如”场景。解决方案将包括由被动RC网络组成的缓冲器和阻断元件。

过高的电压和/或电流始终是一个问题，因此需要采取保护措施以确保功率半导体不受损害。一种技术是添加具有定义阈值和滞后的电压比较器。如果检测到过电压，该比较器将阻断栅极驱动器。

过电流可能更具挑战性，尽管onsemi的NDC57000栅极驱动器具有过电流去饱和保护（DESAT）功能，因此可以在对物料清单（BOM）和产品成本影响最小的情况下解决此问题。这种硬件保护在测试和调试过程中尤为重要，尤其是在启动阶段，不可预测的开关行为最容易发生。

NDC57000 可用于功率因数校正 (PFC) 阶段，以保护 SiC 功率集成模块 (PIMs)，并解释用于评估 DESAT 动作电流阈值的测试方法，这是必要的功能测试。直流链路电容器用于提供所需的峰值动作电流，并向栅极注入脉冲以开启模块，从而触发 DESAT 保护。通过测试，可将理论值与实际值进行比较，并据此进行设计调整。 

对于主双有源桥（DAB）DC-DC变换器，可以使用NDC57000，通过电压降来监测电流水平。然而，这种方法对器件特性较为敏感，尽管部分信息包含在数据表中，但仍然需要进行原型验证。

另一种方法是在制作原型之前进行模拟，以更精确地设置参数。这种方法可以实现非破坏性的模拟，并深入了解一次和二次短路效应。离散增强的DESAT保护为DC-DC阶段设计人员提供了一个宽工作电压范围的解决方案，输出电压范围从200V到1000V。

SiC技术的一个显著优势是其在高频下运行的能力。然而，这也意味着快速的dv/dt斜率，这可能会影响25kW快速充电器的物理布局。布局优化对于最小化寄生电感尤其是在电源走线中的寄生电感至关重要。此外，需要在多个点设置缓冲电路，以尽量减少可能导致损坏和电磁干扰（EMI）问题的过冲和振铃。

系统级控制是另一个至关重要的领域。在一个25 kW的快充设备中，PFC和DAB内部都配备了多个闭环控制器，用以控制例如变压器的有源磁通平衡和初级到次级的相位偏移等参数，从而调节输出电压和电流。这里的一项挑战是为每个闭环选择增益，以确保整个系统的稳定性。 

由于测试所需的高功率设备，设计人员通常在工作台上构建一个回路安排，包括两个PFC阶段和一个DAB，以便在可控条件下进行安全测试。回路测试同样适用于大规模生产的老化测试阶段，通过从已测试的设备中回收能量，大幅节省制造成本，从而实现全球低碳排放的目标。

高效且可靠的IGBT驱动器

来自onsemi的NCD57000是一款具有内部电气隔离的高电流单通道IGBT驱动器，专为高功率应用中的高系统效率和高可靠性而设计。其功能包括互补输入、开漏FAULT和Ready输出、主动Miller钳位、负栅极电压、精确的欠压锁定（UVLO）、DESAT保护、DESAT软关断、支持在IGBT Miller平台电压下的高电流输出（+4/-6 A）、短传播延迟及精确匹配、高瞬态和电磁抗扰性、以及具有5 kV电气隔离能力的独立高（OUTH）和低（OUTL）驱动器输出，以简化系统设计。 

NCD57000在输入端支持5V和3.3V信号，并且在驱动器端提供宽偏置电压范围，包括负电压能力。它具有超过5 kVrms（UL1577认证）的电气隔离和超过1200 Viorm（工作电压）的功能。NCD57000采用宽体SOIC-16封装，输入与输出之间的爬电距离为8毫米，以满足强化安全绝缘要求。

为加速客户产品开发，onsemi还为NCD57000提供了一套参考设计套件。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK是一款基于SiC功率集成模块的25 kW快速直流电动车充电参考设计套件。该完整的SiC解决方案包括PFC和DC-DC阶段，特点是采用了多个1200V、10毫欧的半桥SiC模块NXH010P120MNF1，具有超低的RDS(ON)和极小的寄生电感，从而显著降低了导通和开关损耗。利用一块强大的通用控制板（UCB），其中配备了Zynq®-7000 SoC FPGA和基于ARM®的处理器，该系统能够在输出电压从200V到1000V的范围内提供高达25 kW的功率，为400V或800V电动车电池充电全程实现96%的效率。 

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK还配备了具有电气隔离功能的NCD57000高电流驱动器和SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB辅助电源解决方案，为低电压组件提供稳定的电压轨、浪涌控制、过电压集成保护以及多种通信接口。

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 支持三相 PFC 和 DAB，用于 400V/800V 电池的双向功率转换，符合 EN55011 Class A 和 IEC 61851 标准。其集成了 SiC 模块 NXH010P120MNF1，包含半桥、1200V、10 毫欧 SiC M1 MOSFET，与隔离型高电流、高效率门极驱动器（如 NCD57000）。

结论

直流快充技术在电动汽车充电领域中代表了一项重要的突破，它提供了一种更便捷且高效的电动车充电方式。随着技术的不断进步与应用，直流快充已经成为现代电动汽车充电的主流方式之一。本文探讨了一种25 kW直流快充设备的设计技术，并介绍了onsemi提出的相关解决方案，旨在加速直流快充产品的发展，从而在市场中获得竞争优势。