有关 25 kW DC 快速电动车充电器的设计提示和解决方案

直流快充提升电动车充电效率

直流 (DC) 快充技术是现代电动车 (EV) 充电中的关键方法，显著减少充电时间，提高用户便利性和效率。

DC快速充电所涉及的关键技术始于充电标准。目前，有多种充电标准，如CHAdeMO、Combined Charging System (CCS)和Tesla 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至关重要。 

此外，直流快速充电通常比交流充电提供更高的充电功率，从而实现快速将能量传输至电池。充电功率水平对充电速度和效率有显著影响。因此，根据电动汽车的需求和充电设备的规格选择适当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。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。通常情况下，充电设备和电动车均配备了安全机制。然而，用户仍需对充电过程中的任何异常情况保持警惕，并在需要时及时采取措施解决或停止充电。与慢速充电相比，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 模块是直流快速充电技术中的关键组件

碳化硅（SiC）模块是直流快速充电技术中的重要组件，由SiC MOSFET和SiC二极管组成。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功率模块，旨在高效地进行功率转换，从而提高系统效率。SiC模块的主要功能是功率转换。碳化硅相比硅而言具有优势，因为其较低的从源端移除的电阻（从而提升效率），使得SiC器件能够以更高的开关频率运行。基于SiC的系统相比硅解决方案更加紧凑和轻便，可实现更小的设计。因此，SiC器件是提升效率和增强热管理的理想解决方案。

为了解决直流快充面临的挑战，onsemi 不断在碳化硅 (SiC) 技术和封装解决方案上进行创新，旨在简化电动汽车充电器的设计流程。凭借全面的离散功率与模拟解决方案、保护设备、传感器和连接产品组合，onsemi 提供高质量组件和针对客户需求的定制化系统。凭借超过 20 年的系统经验积累，onsemi 将所有这些技术集成起来，为电动汽车充电提供全面的解决方案。

快速电动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。解决方案将包括由无源RC网络形成的缓冲器和阻断组件。 

过高的电压和/或电流始终是一个问题，需要采取保护措施以确保功率半导体不受损害。其中一种技术涉及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，此比较器将阻断栅极驱动器。

过电流可能会更加具有挑战性，尽管onsemi的NDC57000门驱动器具有过电流退饱和保护（DESAT）功能，从而以最小的材料清单（BOM）和产品成本影响解决了这一问题。这种硬件保护在测试和调试期间尤其重要，特别是在启动阶段，当不可预测的开关最有可能发生时。 

NDC57000可用于功率因数校正 (PFC) 阶段，以保护SiC功率集成模块 (PIMs)，并解释评估DESAT跳闸电流阈值的测试方法，这是一项必要的功能测试。直流链路电容器用于提供所需的峰值跳闸电流，并向栅极注入脉冲以开启模块，从而触发DESAT保护。通过测试，可以将理论值与实际值进行比较，并据此进行设计调整。 

对于主双向有源桥 (DAB) DC-DC 转换器，NDC57000 也可以使用，依靠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，尽管部分信息已包含在数据表中，但仍需要进行原型验证。

另一种方法是在制作原型之前进行仿真，以更准确地设置参数。这允许进行非破坏性的仿真，并了解主次短路效应。离散增强的DESAT保护为DC-DC阶段设计者提供了宽工作电压范围的解决方案，输出电压跨距从200V到1000V。

SiC技术的一个显著优势是其在高频下的运作能力。然而，这也意味着快速的dv/dt转换速率，这可能会对25 kW快速充电器的物理布局产生影响。布局优化对于减少寄生电感尤为重要，特别是在电源信号线中。此外，在多个位置需要使用缓冲电路来尽量减少过冲和振铃，以避免损坏及EMI问题。

系统级控制是另一个关键领域。在一个25 kW的快速充电器中，多路闭环控制器被安装在PFC和DAB中，用于控制如变压器内的主动磁通平衡以及初级到次级的相位偏移，以调节输出电压和电流。这里的一个挑战是选择每个环路的增益，以确保整体系统的稳定性。 

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环布置，包含两个PFC阶段和一个DAB，以便在受控条件下进行安全测试。回环测试同样适用于大规模生产的老化阶段，此时能量从测试设备中回收，从而节省了显著的制造成本，以实现全球低碳排放的使命。

高效可靠的IGBT驱动器

onsemi的NCD57000是一款具有内部电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可靠性而设计。其特点包括互补输入、开漏FAULT和Ready输出、主动Miller钳位、负栅极电压、精确UVLO、DESAT保护、DESAT软关断、支持IGBT Miller Plateau电压的高电流输出（+4/-6 A）、短传输延迟并具有精确匹配、高瞬态和电磁抗扰性，以及具有独立高（OUTH）和低（OUTL）驱动器输出的5 kV电隔离能力，便于系统设计。 

NCD57000 在输入端支持 5V 和 3.3V 信号，并在驱动端具有宽偏置电压范围，包括负电压能力。它提供 >5 kVrms (UL1577 认证) 的电气隔离和 >1200 Viorm (工作电压) 功能。NCD57000 采用宽体 SOIC-16 封装，输入和输出之间具有 8 mm 的爬电距离，以满足加强安全绝缘要求。

为了加速客户产品开发，onsemi还提供了用于NCD57000的参考设计套件。SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK是一款基于SiC功率集成模块的25 kW直流快充电动汽车充电器参考设计套件。这套完整的SiC解决方案包括PFC和DC-DC阶段，采用多个1200V、10毫欧半桥SiC模块NXH010P120MNF1，具有超低RDS(ON)和最小化的寄生电感，可以显著降低导通和开关损耗。凭借配备Zynq®-7000 SoC FPGA和基于ARM®处理器的强大通用控制器板（UCB），该系统在200V到1000V的输出电压范围内提供高达25 kW的电力输出，实现了96%的全天效率，用于充电400V或者800V的电动车电池。 

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK还配置了带有电气隔离的NCD57000高电流驱动器和SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB辅助电源解决方案，为低压组件提供稳定的电压轨道、浪涌控制、过压的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，并符合EN55011 Class A和IEC 61851标准。它集成了NXH010P120MNF1 SiC模块，包含半桥、1200V、10毫欧SiC M1 MOSFET，以及隔离式高电流、高效率的栅极驱动器如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突破，提供了一种更便捷且高效的电动汽车充电方式。随着技术的不断进步和应用，直流快充已成为现代电动汽车充电的主流方法之一。本文探讨了用于 25 kW 直流快充器的设计技术，以及 onsemi 推出的相关解决方案，旨在加速直流快充产品的开发，并在市场竞争中占据优势。