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作者：德州儀器 隨著電動汽車（EV）數量的增加，全球范圍內對于創(chuàng)建更加節(jié)能的充電基礎設施系統(tǒng)的需求也越來越多，而且這些系統(tǒng)和以往相比，可以更快地為車輛充電。與先前的電動汽車相比，新型電動汽車具有更高的行駛里程和更大的電池容量，因此需要開發(fā)快速直流充電解決方案以滿足快速充電要求。根據聯合充電標準系統(tǒng)（CCS）和CHArge de MOve（CHAdeMO）標準，直流充電站是一種3級充電器，可提供120千瓦至240千瓦的功率。如今，150千瓦的充電站需要約30分鐘才能為電動汽車充入足夠的電量，并使其行駛約250公里。設計一個可以處理如此大功率的單功率處理單元需要采用難以控制的復合多級拓撲結構。 在現代充電站中，一種將功率輸出縮放到快速充電所需電平的方法是使用并聯堆疊的模塊化功率轉換器。由于直流充電站占用了大量空間，因此功率轉換器必須是模塊化的，且針對高效率和高功率密度進行了優(yōu)化。 電池組有兩條充電路徑。第一條路徑是電網直接連接到車輛內部的車載充電器（OBC）。此種OBC具有AC/DC和DC/DC功率轉換單元，通常額定功率高達6.6kW。在住宅和商業(yè)應用中，這些OBC能夠在8到17個小時內為電池充電。第二條路徑是使用單獨的物理充電站。圖1所示為充電站的系統(tǒng)架構。該路徑由安裝在車輛外部的用于連接電網和電池的一組AC/DC和DC/DC功率處理單元組成。這些轉換器堆棧繞過OBC直接連接到電池。由于這些轉換器未安裝在車輛內部，因此可以設計成高功率電平，從而實現快速充電。 
圖1：直流充電站架構 提高功率密度的第一步是為功率級選擇合適的拓撲結構和組件。與絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）相比，像碳化硅（SiC）這樣的寬帶隙器件可以阻斷極高的DC鏈路電壓。轉換器可在更高電壓下工作，從而減少所需功率傳輸的電流量。負載電流量降低的直接影響是銅線使用量也會相應減少，從而實現了功率密度的增加。 過渡到更高的直流電壓也使高質量增強隔離更加得到重視。我們的電容隔離技術包括UCC21530、UCC21710和ISO5852S等柵極驅動器，可提供高達5.7 kVrms的增強隔離，從而使這些器件適用于SiC/IGBT應用。圖2所示為采用SiC寬帶隙器件的優(yōu)勢。
圖2：SiC在增加充電站功率密度方面的優(yōu)勢 功率級中的SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）有助于通過向高達1000 V/1500 V的直流鏈路電壓移動來實現高功率密度。使用多級拓撲設計高功率轉換器（尤其針對10 kW及以上的轉換器）非常重要，因為它可降低器件上的電壓應力，并使總諧波失真保持在可接受的水平。 我們的“三級三相SiC交流/直流轉換器參考設計”顯示了一個T型三電平轉換器，其中T型臂中的開關只需要阻斷一半的直流鏈路電壓，從而能夠選擇由ISO5852S驅動的低成本、低壓阻斷器件，并大大節(jié)省成本。LMG3410R070等器件也可用于逆變器的T型分支。拓撲選擇在轉換器的雙向操作中也起著至關重要的作用，這對于車輛到電網的應用非常重要。 開關頻率直接影響磁性元件和其他無源元件的尺寸。當在高開關頻率下運行時，電感器和變壓器的尺寸呈線性減小。在功率級中使用SiC MOSFET使得能夠在高開關頻率下運行，從而提高功率密度。SiC器件具有出色的導通電阻和開關特性，還可最大限度地降低總損耗，從而有助于實現高功率密度。此外，效率的提高也意味著散熱解決方案得到改善，組件之間散熱較少也可提高功率密度。我們的C2000實時控制器可與SiC MOSFET完美配對，可提供這些高頻系統(tǒng)所需的性能和靈活性。軟件頻率響應分析器和補償設計器等工具可輕松實現數字控制算法。 我們的高品質組件和系統(tǒng)專業(yè)知識可幫助您克服電動汽車快速充電的挑戰(zhàn)。三相三級參考設計以及“適用于 3 級電動汽車的雙向雙有源電橋參考設計”均作為雙向轉換器運行，效率高于97％，功率密度約為1.4 kW/L（用于AC/DC級）和1.9 kW/L（用于DC/DC級）。這些設計演示了如何使用我們的柵極驅動器、實時控制器和傳感技術來驅動功率級的SiC MOSFET，并測量電壓和電流。它們有助于應對設計高效、高功率密度、快速電動汽車充電站的挑戰(zhàn)。 |
