25kW SiC直流快充設計指南(I)：EV應用

作者 : ON Semiconductor

安森美半導體設計並開發基於碳化矽(SiC)功率整合模組(PIM)的25千瓦(kW)快速DC充電樁，並描述EV快速充電器的結構及其關鍵電氣規格...

快速直流(DC)充電市場正在蓬勃發展。伴隨著電動車(EV)採用的加速，對快速充電基礎設施的需求也在增加。預測未來五年的年複合成長率(CAGR)為20%至30%。如果您是在電力電子領域工作的一名應用、產品或設計工程師，遲早會參與到這新的充電系統設計。

這裡可能會出現一個基本問題，特别是如果您是第一次面臨這樣的挑戰。我應該如何開始？從哪裡開始？關鍵的設計考慮因素是什麼？我應該如何解決它們？

為了幫助設計人員解決這樣的挑戰，安森美半導體(ON Semiconductor)的EMEA系統工程團隊展示設計並開發基於碳化矽(SiC)功率整合模組(PIM)的25千瓦(kW)快速DC充電樁。

開發這種類型的大功率電池充電器需要多樣化的技能。這一系列文章將談談DC充電器的開發過程，在每一部份探討不同的主題，聚焦所面臨的關鍵挑戰、權衡和妥協，並展示如何從頭設計、建構和驗證這樣的系統。設計之路並非一帆風順，向前邁進的最佳方式是快速啟動、運行和迭代。在第一部份，本文將描述EV快速充電器的結構，並定義其關鍵電氣規格。

快速DC充電器 – 建構什麼？

在EV生態系統中，DC充電樁提供「快速」和「超快」充電能力，與較慢的交流電(AC)電器形成對比。從本質上講，EV充電器將來自電網的AC轉換為適合輸送到EV電池的DC電源。DC充電的電源轉換是在EV外(「車外」)進行的，然後輸送到車，功率等級從低於50kW到大於350kW (甚至更高的等級也在開發中)。

更高功率的DC充電樁通常以模組化的方式建構，15至75kW (及以上)的功率區塊堆疊在一個機櫃中(圖1)。一般來說，DC充電樁的輸出電壓從150V到1000V，涵蓋常見的400V和800V EV電池電壓。充電樁可針對較高或較低的電壓端進行最佳化。

這種電源模組的結構如下：前端一個帶有功率因數校正(PFC)的AC-DC升壓轉換器，然後是一個DC-DC級，提供在電網和負載(EV電池)之間的隔離，並調節輸出端電壓和電流(圖1)。該系統也可能是雙向的(特别是在低功率時)，因此拓樸結構和設計應考慮到這一點。

圖1：快速DC充電樁電源模組概覽。

一種具有雙向能力的25kW DC充電器現正開發中。該系統將涵蓋廣泛的輸出電壓範圍，能夠為400V和800V電池的EV充電，經最佳化還可用於更高的電壓等級。輸入電壓的額定值為歐盟400Ｖ和美國480Ｖ的三相電網。功率級應在500V至1000V電壓範圍内提供25kW。低於500V時，輸出電流將被限制在50A，降低功率，與DC充電標準如整合型充電系統(Combined Charging System；CCS)或CHAdeMO (圖2)的電流曲線相一致。

圖2：25kW DC充電樁功率級功率和電流曲線。低於500V時電流限值在50A。

關於通訊埠，該板將為外部介面(電源模組、充電器系統控制器、車輛、服務和維護之間)提供隔離的CAN、USB和UART基礎架構。整體而言，設計將遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23標準中關於EV充電的準則。下表概述了系統要求。

表1：25kW快速DC充電樁要求。

開發流程

為了符合電源轉換硬體開發流程的邏輯，這項工作從定義實際的DC充電樁功率級開始。根據應用的要求，在表格中總結相關案例。這些符合市場的需求，並遵循IEC-68515準則，並有助於團隊了解所需要努力的目標。

第一個可行性研究有助於驗證最初的要求和假設。這些將被整合為系統設計的一部份，包括(在本項目的範圍内)硬體、軟體、熱管理和機械設計、原型和驗證。所有基本的系統變量和解決方案的大多數臨界妥協和權衡都發生在可行性研究期間。

這些任務和子設計是透過多次迭代進行的，其中一個部份的輸出和假設被反饋到另一個部份。其中兩個主要的設計活動提供了重要的產出，以推動工作進行：

•  用SPICE模型進行電源模擬；
• 使用MATLAB和Simulink進行控制模擬。

電源模擬對於確認工作電壓和電流、損耗、冷卻要求以及功率和被動元件的選擇等方面的假設至關重要。一旦實施計劃準備就緒，就要進行包括功率參數在内的控制模擬，以確認採用該電源設計可以有效地執行控制迴路。

在透過電源和控制模擬證實設計後，就獲批繪製原理圖、佈局PCB和製造原型。一旦有了電路板，硬體啟動，就可進行功能測試和系統評定。

從頭開始開發一個25kW的EV DC充電樁需要的不僅僅是這些，當我們解決在這過程中遇到的挑戰和問題時，將會獲得最有價值的收獲。

本文作者：

Karol Rendek，安森美系統工程中心應用經理
Stefan Kosterec，安森美系統工程中心應用工程師
Dionisis Voglitsis，安森美應用工程師
Rachit Kumar，安森美系統工程中心資深應用工程師

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