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更快,更安全,高效的EV充电站的技术推动力

随着电动汽车(EV)数量的增加,对创建更加节能的充电基础设施系统的需求日益增长,该系统可以比以往更快地对车辆充电。新型电动汽车比其前任车型具有更大的续航里程和更大的电池容量,因此有必要开发快速的直流充电解决方案来支持快速充电需求。150 kW或200 kW的充电站大约需要30分钟才能将电动汽车充电至80%,这足以行驶大约250 km。根据联合充电系统和Charge de Move标准,快速DC充电站可提供高达400 kW的功率。


今天,我们将研究驱动更快,更安全,更高效的充电器的半导体技术:

高压半导体开关(绝缘栅双极晶体管[IGBT]和碳化硅[SiC])正在驱动系统中的总线电压(800 V或1,000 V)。随着系统电压的升高,对隔离技术的要求也不断提高,以确保整体安全性和可靠性。

随着功率转换器具有更快的开关频率(几百赫兹至几兆赫兹)的能力,在这些高频下工作会减小电路中使用的磁性组件和其他无源器件的尺寸,进而降低系统成本并提高总体功率密度。因此,需要高带宽电流和电压感测以精确地控制和保护数字功率级。

更高的效率要求使用多级复杂功率级,这又需要高压隔离的栅极驱动器来有效地切换这些功率级并减少总体开关损耗,同时还包括增强的隔离和短路保护功能。


让我们更深入地研究这些技术支持因素。


隔离技术

安全性合规性在EV充电器中至关重要,因为它们直接与公用电网连接。必须进行隔离,以确保操作员安全,保护处理器免受高压电源转换器系统的损坏以及防止接地回路和不同通信子系统之间的电位差。具有次级侧控制架构的功率控制器不仅需要在功率级(通过隔离变压器)进行隔离,而且还需要在控制器驱动电路和相关的信号调节电路中进行隔离。


由功率转换器的开关动作引起的噪声干扰会对系统性能产生负面影响。例如,当来自电源转换器开关的瞬变发生时,较高的压摆率会在信号路径上引起瞬变电压,并产生共模电压瞬变,这需要具有高共模瞬变抗扰度(CMTI)的隔离器来保持信号完整性。 。


电动汽车充电站中直流母线电压的增加也显示出加强隔离对于操作人员安全性和可靠性的重要性。根据工作电压的不同,可以分为三种基本的隔离类别:功能隔离,基本隔离和加强隔离。功能隔离(也称为工作隔离)不能保护或隔离电击,但产品必须具备功能。基本隔离是单层绝缘,可提供基本的防震保护。加强绝缘是一种单绝缘系统,可提供相当于双重绝缘的电击保护。


半导体可以使用各种隔离技术:

光学隔离使用LED光线在透明的非导电绝缘层上传输。它的主要优点是高电气隔离值和低成本。但是,光隔离还具有较长的传播时间,较低的抗噪性,较高的静态电流以及随温度和老化而迅速降低的绝缘性能。这些限制将光隔离技术限制于对成本敏感的低速电源转换器。

磁隔离采用电感耦合传递,并采用变压器线圈设计,并在高频下提供高隔离度。与光学技术相比,它具有更好的传播时间,但具有较高的电磁噪声问题,较低的抗噪性以及随温度和湿度而导致的绝缘劣化。

电容隔离使用变化的电场通过电容传输能量。该技术的优势在于它能够高速运行并且其封装相对较小。它具有最高的可靠性,在整个温度范围内具有最佳的绝缘稳定性,以及较高的CMTI和低辐射。

图1显示了电容隔离,Texas Instruments在其隔离的栅极驱动器,放大器和数字隔离器中使用了电容隔离。

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图1. 电容隔离

 

高带宽电流和电压感应

EV充电器应用程序将电流和电压感测用于三个主要功能:监视,保护和控制。在电动汽车充电器中,来自电网的能量转换通常分为两个阶段。功率因数校正级将电网电压转换为稳定的直流母线电压。然后,DC / DC级将DC电压转换为适合EV电池组的电压。图2是EV充电站的框图,其中电流检测位置标记为A,电压检测位置标记为V.

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图2. 电动汽车充电站的框图


功率级中越来越多地使用SiC和氮化镓(GaN)开关,从而提高了工作频率(数百千赫兹至几兆赫兹),同时提供了更高的效率和更高的功率密度。这些功率级需要精确检测快速开关电流,以确保控制环路可靠运行,以确保转换器稳定运行。对于所有带有高压级的大功率系统,快速响应时间,线性操作超温以及准确的电流和电压感测至关重要。


有助于电流感测的半导体技术可以大致分为直接和间接感测方法。直接方法包括通过采用隔离放大器或隔离sigma-delta调制器进行基于分流电阻器的检测。分流电阻上的压降通常为50 mV或250 mV(以将电流电阻损耗降至最低),构成了该级的输入。


对于隔离放大器,将按比例放大的低压信号发送到外部控制器,以在保持电气隔离的同时,对高压轨上的电流进行精确测量。


隔离的sigma-delta调制器直接将分流器两端的电压降调制为数字位流,当直接与微控制器的sigma-delta外设接口时,可实现更高的带宽。较高的信号带宽可确保快速,精确的电流测量以及开关信号的准确表示,以控制转换器的功率级。


基于分流的感测是优选的,因为与具有基本一次性校准的基于霍尔效应的解决方案相比,该方法在温度范围内可实现更好的DC精度。由于基于分流器的解决方案对外部磁场的灵敏度有限,因此其精度更高,尤其是在低电流情况下。基于分流器的解决方案在整个电压范围内都是线性的,尤其是在零交叉处和磁芯饱和区域附近。与霍尔效应传感器相比,该解决方案还提供了高达5 kV的增强隔离,并减小了外形尺寸。


间接方法涉及感测载流导体周围的磁场。例如,霍尔效应传感器通过感应流过导体的电流来间接测量导体周围产生的磁场。开环霍尔效应传感器的带宽高达1 MHz。闭环传感器的带宽为350 kHz,与开环霍尔效应传感器相比,性能更高,但成本更高。


鉴于其出色的带宽和响应时间,开环和闭环霍尔效应传感器可在短路条件下(尤其是在高频下进行切换时)为分流解决方案中的SiC开关提供更好的保护。SiC开关的短路耐受时间通常为1-3 µs,并且需要快速检测以防止短路。与基于霍尔效应的解决方案相比,串联分流器两端的压降会导致散热和功率损耗,尤其是当测量的电流增加时。

 

隔离式栅极驱动器

高速栅极驱动器对于构建具有高效率,高功率密度且可靠且坚固的电源模块至关重要。栅极驱动器在控制器上的脉宽调制器和大功率开关之间接口。基于大功率SiC / IGBT的功率模块要求栅极驱动器具有以极高的速度产生和吸收峰值电流的能力,从而最大程度地缩短了导通和关断过渡时间,从而将开关损耗降至最低。门驱动器必须:

灵活地使用具有宽工作电压和不同类型电源开关的同一驱动器。 

在嘈杂的环境和极端温度条件下运行时要坚固。

具有最小的导通传播延迟,以便能够更快地切换场效应晶体管(FET),从而使体二极管的导通时间最小化,从而提高了效率。

具有良好的延迟匹配,以确保以最小的开启延迟差异驱动并联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。


对于高压应用,增强型隔离式栅极驱动器可提供更高的系统抵抗浪涌(CMTI)的能力,由电位差引起的泄漏电流以及其他可能损坏系统的异常事件。


根据控制器的位置,控制器和驱动器之间可能需要隔离。传统的隔离方法是使用带有非隔离栅极驱动器的独立变压器。集成式栅极驱动器的传播延迟与分立式变压器解决方案相似或更好,但占用的面积却减少了50%。此外,可以定制集成的栅极驱动器,以提供大于100 V / ns的CMTI,该数字明显高于分立解决方案可实现的数量。CMTI是决定栅极驱动器鲁棒性的关键参数。


栅极驱动器中的保护功能是转换器可靠运行所必需的。由于提高了功率密度和效率的好处,SiC和GaN已成为各种应用中硅IGBT的潜在替代品。SiC MOSFET具有更严格的短路保护要求;与IGBT大约10 µs相比,短路耐受时间为1-3 µs。集成到栅极驱动器的DESAT引脚对于在检测短路时提供快速响应至关重要。集成的欠压锁定和有源Miller钳位对于防止半桥应用中FET的误导通也至关重要。


对具有自然对流冷却功能的便携式直流快速充电器(可以很容易地拿起并存放在EV行李箱的背面)的需求推动了设计具有最新功率密度和效率的EV充电器的局限性。具有集成栅极驱动器的GaN基开关提供导通电阻,快速开关和低输出电容,有助于EV充电器的设计,功率密度提高多达三分之一。EV充电器中常用的谐振架构也将从零电压和零电流开关中受益,这些开关可减轻开关损耗并提高整体系统效率。

 

结论

在用于EV充电站的电源转换器中,高功率密度,可靠性和耐用性变得越来越重要。随着功率和电压水平的提高,保护人员和设备免受危险操作条件的影响很重要。


针对高功率密度和高效率充电器的制造商将采用IGBT,SiC和GaN基功率转换器,其开关频率从几百赫兹到几兆赫兹不等。高频电流和电压传感器对于这些平台的开发至关重要。


智能栅极驱动器技术将实现必要的高电压电平,快速的开关速度以及快速保护的需求。鉴于过去十年来半导体技术的飞跃发展,在短暂的咖啡休息时间里,可能很快就可以将EV充电至其完整范围。


本文由德州仪器(TI)的系统工程师Harish Ramakrishnan共同撰写 。

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