隨著電動車（EV）數量的增加，在世界範圍內建立更具能源效率的充電基礎設施系統的需求日益增長，簡單來說，該系統要能夠實現對車輛的快速充電。並且，新型電動車具備更長的續航里程和更大的電池容量，因此有必要加速開發直流充電解決方案，以滿足快速充電的需求。根據 Combined Charging System（CCS）以及 CHArge de MOve（CHAdeMO）的標準，直流電充電站屬於第三級（Level 3）充電設施，可傳輸 120 kW 至 240 kW 的電力。現今，一座 150 kW 充電站大約需花費要30分鐘，才能讓電動車有足夠的電力行駛 250 km。若要設計一個單一的功率調節單元（power processing unit）來處理如此龐大的電力需求，需要複雜且難以控制的多層拓樸結構。
在新型的充電站中，提升功率輸出以滿足快速充電需求的方法之一，是使用並聯的模組化電源轉換器。由於直流電充電站佔據大量空間，電源轉換器的設計需達到模組化並為高效率、高功率密度做最佳化。
圖1為充電站的系統架構，有兩條充電路徑。第一條是電網直接連結車內的車載充電器（OBC，onboard charger），OBC 有交流-直流和直流-直流轉換單元，一般可以承受6.6 kW。在家用與商用應用中，這些 OBC 可以在8至17小時內充滿電。第二條路徑採用獨立的實體充電站，含有交流-直流和直流-直流功率調節單元，在車外作為電網和電池的介面，這些轉換器跳過 OBC 直接連到電池。由於這些轉換器不在車內，它們可適用於更高功率的設計，讓充電更快速。
圖1：直流電充電站架構
增加功率密度的第一步是在功率級選取適當的拓樸結構和元件。碳化矽（SiC）等寬頻隙裝置（Wide bandgap）比起矽絕緣閘雙極型電晶體（IGBT）更能夠阻斷極高直流鏈電壓（DC link voltage），此轉換器可以在更高的電壓下運作，並減少功率轉換所需電流。減少電流意味著漸少銅用量，因而增加了功率密度。
轉換至較高直流電壓，需要更高品質的強化型隔離技術。德州儀器的電容式隔離技術，包含閘極驅動器UCC21530、ISO5852、UCC21750，提供高達 5.7kVrms 強化隔離，讓這些裝置可以與 碳化矽和 IGBT 相容。圖2 為採用碳化矽的優勢。
圖2：使用碳化矽增加充電站功率密度的優勢
碳化矽金屬氧化物半導體場效應電晶體（SiC MOSFETs）在功率級可達到高功率密度，藉由將直流鏈電壓調整至 1,000V/1,500V。當您在設計高功率轉換器時（特別是高於10kW），使用多層級的拓樸結構相當重要，如此以來可減輕電壓在裝置上的負載，並確保總諧波失真在可接受範圍內。
德州儀器在「三相三階碳化矽交流轉直流轉換器參考設計」一文指出，一款三階 T 型轉換器的開關，只需要阻斷一半的直流鏈電壓，就能選擇像ISO5852S更低成本、低電壓的阻斷裝置，進而節省成本。此外，LMG3410R070 也能用在逆變器的T型分支中。如何選擇拓樸結構在轉換器的雙向操作中也非常重要，尤其是在車輛到電網（vehicle-to-grid）的應用中。
開關頻率也會直接影響磁性和其他被動元件的尺寸。當提高開關頻率時，電感和變壓器的尺寸呈現線型下降。SiC MOSFETs 讓功率級可以使用更高的開關頻率，進而改善功率密度。碳化矽裝置因具有較高的導通電阻以及開關的特性，不僅將總損失最小化，更進一步提升功率密度。提升效率等同提升散熱性能，隨著各元件所產生的熱能降低，功率密度因而提升。
德州儀器擁有高品質的產品和專業的系統性解決方案，可協助您克服 EV 快速充電的挑戰。本文所介紹的三相三階參考設計，以及「雙向雙主動橋式參考設計：Level 3電動車充電站」，皆是效率高於 97% 且功率密度約1.4kW/L（交流-直流）、1.9kW/L（直流-直流）的雙向轉換器。這些參考設計展示了如何使用德州儀器的閘極驅動器和感測技術來驅動功率級的 SiC MOSFETs，同時也測量電壓與電流。這些產品皆有助於您設計高效率、高功率密度且高速的電動車充電站。
關於德州儀器（TI）
德州儀器（納斯達克股票代碼：TXN）為位居世界領導地位的全球半導體公司，致力於設計、製造、測試以及銷售類比和嵌入式半導體晶片，為工業、汽車、個人電子、通訊設備和企業系統等市場服務。打造更美好的世界是我們的願景，為此，我們以半導體技術為基礎，致力於創造更輕巧、更高效、更可靠及更具成本效益的產品解決方案，使半導體更加普及地被應用於各式電子產品中。推動半導體技術持續更上一層樓，是我們數十年來始終如一的信念。更多詳情，敬請瀏覽TI.com。
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