蓬勃发展的电动汽车（EV）市场，催化了包括电动汽车充电器在内的各行各业的发展。为了满足日益增长的电动汽车需求并实现低碳目标，通过高效的电动汽车充电系统设计，建立更完善的充电基础设施至关重要。本文将为您介绍超快速电动汽车充电器的发展趋势，以及由安森美（onsemi）所推出的相关解决方案。
直流电动汽车充电器加快充电速度提升消费者采购意愿
电动汽车的充电速度将是影响消费者采购电动汽车的关键要素之一，随着通过在充电站内将交流电转换为直流电，直流电动汽车充电器的充电速度显着加快，如今已经成为主流。在政府和汽车制造商的大力支持下，快速增长的电动汽车市场，对强大的直流充电基础设施至关重要。
主流的电动汽车充电解决方案采用更高的充电电压，与电压限制较弱的交流充电相比，直流快速充电可在高达1500 VDC的电压下运行，从而实现更高的充电功率、更小的电流、更少的发热和损耗，并借着提高最高电压来支持400V和800V电动汽车电池，以及将输出功率提升至350kW以上，以实现超快速充电的需求。碳化硅（SiC）技术凭借其更高的效率，以及处理更高电压和温度的能力，是实现这些目标的理想选择。
碳化硅（SiC）技术通过提供更低的导通电阻（RDS(ON)），正在彻底改变电动汽车直流充电桩。与硅基解决方案相比，SiC技术可将电源转换效率提升至97%以上，并降低运营成本。这使得电源转换器的体积和占位面积更小，冷却要求更低，系统噪音更低（EMI影响更低）。SiC分立器件主要用于功率不超过50 kW的充电装置，而模块器件则因其成本优势而成为50 kW以上（有时25 kW以上）充电装置的首选。
超高速电动汽车充电器可绕过车载充电器（OBC），直接向电动汽车电池提供高达350 kW至兆瓦级的功率。其额定工作电流在200 A至500 A之间，可显着缩短充电时间。这些系统采用各种功率转换元器件，例如功率集成模块（PIM），它将多个功率器件集成到单个封装中，从而简化组装并优化热管理。此外，还有宽带隙SiC器件，可提高效率并能够在更高的温度和电压下工作。
EVBUM2878G顶视图和底视图
多款评估板及参考设计加速客户的产品开发速度
以安森美打造的直流电动汽车充电器解决方案为例，该直流电动汽车充电器采用的功率转换和电源管理技术，包含了SiC分立式MOSFET、IGBT、功率模块和隔离栅极驱动器等主要元器件，以及其他相关产品。
安森美提供多款评估板及参考设计，以加速客户的产品开发速度。例如，EVBUM2878G-EVB是一款1200V M3S 4-PACK F2 EliteSiC MOSFET模块评估板，该评估板可用于对全桥模块进行双脉冲开关测试和开环功率测试，像是NXH011F120M3F2PTHG、NXH007F120M3F2PTHG。
另一款EVBUM2880G-EVB则是1200V M3S 2-PACK F1 EliteSiC MOSFET模块评估板，该评估板用于对以下半桥模块进行双脉冲开关测试和开环功率测试，包括NXH008P120M3F1PTG、NXH010P120M3F1PTG、NXH015P120M3F1PTG、NXH030P120M3F1PTG。
EVBUM2883G-EVB则是1200V M3S T-NPC F2 EliteSiC模块评估板，该评估板专为评估采用F2封装的1200V M3S - 三电平TNPC而设计。该评估板用于对TNPC（中性点钳位型T型）模块进行双脉冲开关测试和开环功率测试，包括NXH008T120M3F2PTHG、NXH011T120M3F2PTHG。上述这些评估板均可连接到外部控制器，提供PWM输入并处理故障信号。
安森美也提供SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK评估套件，这是一款基于SiC功率集成模块的25kW快速直流电动汽车充电器参考设计套件。该全SiC解决方案包含PFC和DC-DC级，并采用多个1200V、10 MΩ半桥SiC模块。支持的输入电压包含400VAC（欧盟）/480VAC（美国），输出电压则为200VDC - 1000VDC，最大输出功率可达25kW，效率大于96%，支持三相PFC（功率因子校正）和DAB（双有源桥），可实现400V/800V电池的双向功率转换。
全SiC模块F2封装
完整的直流电动汽车充电器解决方案
安森美推出多款直流电动汽车充电器解决方案，涵盖直流电动汽车充电器市场的各种用例，可满足住宅和商业应用的不同功率水平和充电时间需求。从22 kW以下的直流壁盒系统到350 kW以上的超快速电动汽车充电系统，安森美的EliteSiC MOSFET和Field Stop 7 IGBT可确保更高的效率和功率密度，而隔离栅极驱动器则可增强安全性和可靠性。
安森美的超快速电动汽车充电器（≥350 kW）的电源模块解决方案，可支持高达500 A的大电流充电，并提供350 kW至1 MW的功率。安森美的全套EliteSiC M3S T-NPC和4片装F2功率集成模块（PIM）具有显着优势，包括卓越的热性能、高功率密度、高效率和增强的可靠性。这些模块配置为50 kW模块化元器件，可堆叠以实现超过350 kW的功率水平。
安森美的NXH008T120M3F2PTHG是一款F2 T型NPC PIM，采用8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET T-NPC，提供预涂导热界面材料（TIM）和不预涂导热界面材料（TIM）两种选择，支持15V - 18V栅极驱动、HPS DBC基板，提供可焊接引脚和压接引脚两种选择，采用M3S优化开关性能，易于在负栅极电压下驱动。
NXH007F120M3F2PTHG则是F2 4片装全桥PIM，采用7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET，具有预涂TIM和不预涂TIM两种选择，支持15V - 18V栅极驱动、HPS DBC基板、压接引脚，采用M3S优化开关性能，易于在负栅极电压下驱动。
典型两级电动汽车充电电路示例
高性能的电动汽车充电器功率模块和分立解决方案
针对商用电动汽车充电器功率模块和分立解决方案（25 - 150 kW），安森美开发了一款具有双向功能的25 kW直流电动汽车充电器评估套件，该套件可堆叠在一个机柜中，同时覆盖400 V和800 V标准电动汽车电池电压，采用常见的两级电动汽车充电电路，由一个三相半桥级和第二个DAB级组成。该系统结构简单、运行效率高且易于控制。它采用相移调制，在高负载下实现ZVS（零伏切换），同时在200 V至1000 V的宽充电电压范围内实现效率最大化。
安森美的全SiC半桥PIM非常适合直流电动汽车充电器的设计，它提供易于安装的封装和规格，具有出色的热阻和寄生电感，可实现系统更高的运行效率和功率密度。
安森美的EliteSiC PIM采用1200V双组半桥、SiC M3S、F1封装，包括NXH008P120M3F1PTG、NXH010P120M3F1PTG、NXH015P120M3F1PTG，具有优异的FOM [ = RDS(ON) * EOSS ]，采用M3S技术，优化开关性能。支持15V至18V栅极驱动，易于在负栅极电压下驱动，提供预涂TIM和不预涂TIM两种选择，采用压接引脚。
此外，安森美还有EliteSiC分立式1200 V SiC MOSFET，采用M3S技术，针对高温工作进行了优化，改进的寄生电容，适用于高频工作，RDS(ON)范围为13至65 mΩ @ VGS = 18 V，具有超低栅极电荷（QG(TOT)范围为55至254 nC），可高速开关，低电容（COSS 范围为57至262 pF），提供带开尔文源极的4引脚封装。
安森美还为这些器件提供顶部散热SMD封装，具有BPAK价值，拥有卓越的散热性能、更高的功率密度、更佳的热阻，热量从顶部散发，从而降低PCB温度，可提高PCB利用率，通过消除MOSFET下方的散热孔来降低成本，提高PCB可靠性，并通过封闭的铝外壳设计阻挡PCB上的灰尘。
安森美也推出全新高度优化的创新型1200 V FS7 IGBT，旨在显着降低开关损耗和传导损耗，确保卓越的开关性能。这些器件具有低开关损耗，可实现更高的开关频率。这一特性可减小磁性元器件的尺寸，从而提高功率密度并降低系统成本。对于需要高效且经济高效的电源解决方案的应用，FS7 IGBT是理想之选。
以FGY4L160T120SWD这款1200V，Field Stop VII (FS7)分立式IGBT为例，其具有最高结温TJ = 175℃，是采用TO-247-plus-4L封装的第七代二极管，支持正温度系数，易于并联运行，具有大电流能力、平滑且优化的开关、低开关损耗特性，符合RoHS标准。
内部负偏压应用示意图
优化高功率或高压应用的栅极驱动器
选择合适的栅极驱动器对于优化高功率或高压应用的性能至关重要，需要考虑隔离能力、栅极驱动电压范围、隔离电容和功率损耗、共模瞬变抗扰度（CMTI）、电流驱动能力。通过考虑这些因素，我们可以选择能够增强SiC/Si MOSFET或IGBT性能、效率和安全性的栅极驱动器。
以下介绍几款重要的安森美栅极驱动器，NCP51563是一款双通道隔离栅极驱动器，支持4.5 A / 9 A 峰值拉／灌电流，典型值36 ns传输延迟，最大延迟匹配5 ns，可通过ANB实现单输入或双输入模式，支持5 kV电气隔离，CMTI ≥ 200 kV/µs，采用SOIC-16WB封装，爬电距离为8mm。
NCD57100为单通道隔离栅极驱动器，支持7 A峰值拉／灌电流，以及有源米勒钳位、UVLO和DESAT保护，具有宽偏置电压范围，包括负VEE，支持3.3 V至5 V输入电源电压，以及5 kV电气隔离，CMTI ≥ 150 kV/µs，采用SOIC-16WB封装，爬电距离为8mm。
NCD57090为单通道隔离栅极驱动器，支持6.5 A峰值拉／灌电流，提供分离输出、有源米勒钳位或负偏置版本，支持3.3 V、5 V和15 V逻辑输入、5 kV 电气隔离，CMTI ≥ 100 kV/µs，采用SOlC-8WB封装，爬电距离为8mm。
转换器则是由使用宽带隙元器件的电桥组成，存在低侧MOSFET自导通的风险。主要原因包括米勒电容、栅极电阻和高dv/dt，其中一种解决方案是使用具有负栅极电压的栅极驱动器。安森美半导体的栅极驱动器内置负偏置电压，像是NCP51752集成了负偏置控制的隔离式单通道栅极驱动器，支持4.5 A峰值拉电流，9 A峰值灌电流，集成负偏置控制-2/-3/-4/-5 V，具有36 ns传播延迟，最大延迟匹配5 ns，支持3 V至20 V输入电源电压，以及200V/ns dv/dt抗扰度，可应对持续1分钟的3.75 kVRMS隔离（符合UL1577要求），MOSFET提供6 V和8 V UVLO选项，SiC提供12 V和17 V UVLO选项。
安森美还提供各种信号调理和控制产品，像是NCS2007x系列运算放大器提供轨到轨输出操作，带宽为3 MHz，并提供单路、双路和四路配置。该系列提供各种紧凑型封装和2.7V至36V的宽电源电压范围，使其成为各种应用的理想选择。为了实现高精度电流监控，建议使用NCS21x，因为它具有低电源电压和零漂移架构的低失调特性，可在分流电阻上进行电流感应，最大压降低至10mV 满量程。
在25 kW直流电动汽车充电器的辅助电源设计中，NCV890100是一款固定频率、单片降压开关稳压器，专为低压元器件供电而设计。它是需要低噪声和紧凑外形的系统的理想选择。NCV890100可将4.5 V至18 V的输入电压转换为低至3.3 V的输出电压。它以高于AM频段的恒定开关频率工作，无需昂贵的滤波器和EMI对策。NCP3064则是另一款DC-DC稳压器，专为升压和降压应用而设计，并尽量减少外部元器件数量。这两款产品均集成热关断保护（TSD）。
结语
超快速电动汽车充电器的发展正朝着更高功率、更高效率与更智能化的方向迈进，以满足日益增长的电动车市场需求。随着半导体技术、电源模块设计及散热技术的不断突破，未来充电器将实现更短充电时间与更佳能源管理，提升用户体验与系统稳定性。随着政策推动与产业链协同，超快速充电技术将加速普及，助力电动交通实现真正的绿色转型。本文中所提到的安森美快速充电器解决方案，将会是您进入相关产业应用的最佳选择之一。