推動更快、更安全、更高效EV充電器的技術
前言：
作者：Jayanth Rangaraju，Harish Ramakrishnan
Jayanth Rangaraju目前擔任德州儀器（TI）的系統經理，致力於可再生能源。在此職位，他的團隊負責利用TI的產品組合來利用系統解決方案和專業知識來解決工程問題。在德州儀器的13年中，Jayanth擔任過各種職務，包括設計工程師、應用程式和系統經理以及市場經理。他獲得了德克薩斯大學阿靈頓分校電氣工程碩士學位。他于2015年畢業於德克薩斯大學奧斯丁分校麥考姆斯商學院，獲得工商管理碩士學位。
Harish Ramakrishnan目前擔任德州儀器（TI）的系統工程師，致力於可再生能源。他負責利用TI的系統解決方案和專業知識解決客戶的設計挑戰。這是他就職於TI的第二年，他在通用電氣、斯倫貝謝和L＆T的電力電子和電機控制領域擁有5年的行業經驗。Harish於2014年在得州農工大學學院站獲得了電氣工程碩士學位。
隨著電動汽車（EV）數量的增加，對創建更加節能的充電基礎設施系統的需求也在日益增長，如此便可更快地為車輛充電。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，因此需要開發快速直流充電解決方案以滿足快速充電要求。150 kW或200 kW的充電站約需要30分鐘才能將電動汽車充電至80％，行駛大約250 km。根據聯合充電系統和Charge de Move標準，快速DC充電站可提供高達400 kW的功率。
今天，我們將研究驅動更快、更安全、更高效的充電器的半導體技術：
• 高壓半導體開關（絕緣柵雙極電晶體[IGBT]和碳化矽[SiC]）正在驅動系統中的匯流排電壓（800 V或1,000 V）。隨著系統電壓的升高，對隔離技術的要求也不斷提高，以確保整體安全性和可靠性。
• 隨著功率轉換器能夠實現更快的開關頻率（幾百赫茲至幾兆赫茲），在這些高頻下工作會減小電路中使用的磁性元件和其他無源器件的尺寸，進而降低系統成本並提高總體功率密度。因此，需要高頻寬電流和電壓感測來精確地控制和保護數位功率級。
• 更高的效率要求使用多級複雜功率級，反之又需要高壓隔離柵極驅動器來有效切換這些功率級並減少總體開關損耗，同時還包括增強的隔離和短路保護功能。
• 隨著功率轉換器能夠實現更快的開關頻率（幾百赫茲至幾兆赫茲），在這些高頻下工作會減小電路中使用的磁性元件和其他無源器件的尺寸，進而降低系統成本並提高總體功率密度。因此，需要高頻寬電流和電壓感測來精確地控制和保護數位功率級。
• 更高的效率要求使用多級複雜功率級，反之又需要高壓隔離柵極驅動器來有效切換這些功率級並減少總體開關損耗，同時還包括增強的隔離和短路保護功能。
讓我們更深入地研究這些技術推動因素：
隔離技術
安全合規性在EV充電器中至關重要，因為它們直接與公用電網連接。為了確保操作員安全、保護處理器免受高壓電源轉換器系統的損壞以及防止接地回路和不同通信子系統之間的電位差，隔離是必不可少的。具有次級側控制架構的功率控制器不僅需在功率級（通過隔離變壓器）進行隔離，還需在控制器驅動電路和相關的信號調節電路中進行隔離。
安全合規性在EV充電器中至關重要，因為它們直接與公用電網連接。為了確保操作員安全、保護處理器免受高壓電源轉換器系統的損壞以及防止接地回路和不同通信子系統之間的電位差，隔離是必不可少的。具有次級側控制架構的功率控制器不僅需在功率級（通過隔離變壓器）進行隔離，還需在控制器驅動電路和相關的信號調節電路中進行隔離。
由電源轉換器的開關操作引起的雜訊干擾會對系統性能產生負面影響。例如，當電源轉換器開關的瞬變發生時，高壓擺率會在信號路徑上引起瞬變電壓，並產生共模電壓瞬變，這需要具有高共模瞬變抗擾度（CMTI）的隔離器來維持信號完整性。
電動汽車充電站中直流母線電壓的增加也顯示出加強隔離對於操作人員安全性和可靠性的重要性。根據工作電壓，可分為三種基本隔離類別：功能隔離、基本隔離和加強隔離。功能隔離（也稱為工作隔離）不能保護或隔離電擊，但產品必須具備此功能才能運行。基本隔離是可提供基本防震保護的單層絕緣。增強隔離是一種可提供相當於雙重隔離電擊保護的單隔離系統。
半導體可使用多種隔離技術：
• 光學隔離使用LED光線在透明的非導電絕緣層上傳輸，其主要優點是具有高電氣隔離值和低成本。但光隔離還具有較長的傳播時間、較低的抗噪性、較高的靜態電流以及隨溫度和老化而迅速劣化的絕緣性能。這些限制將光隔離技術限制在對成本敏感的低速電源轉換器上。
• 磁隔離通過變壓器線圈設計使用耦合電感傳遞信號，並在高頻下提供高隔離度。與光學技術相比，其具有更佳的傳播時間，但也具有較高電磁雜訊的問題、較低的抗噪性以及隨溫度和濕度而導致的絕緣劣化。
• 電容隔離使用變化的電場通過電容傳輸能量。該技術的優勢在於它能夠高速運行，且其封裝相對較小。它具有較高的可靠性，在整個溫度範圍內具有最佳的絕緣穩定性，以及較高的光耦的共模抑制比和低輻射。
• 光學隔離使用LED光線在透明的非導電絕緣層上傳輸，其主要優點是具有高電氣隔離值和低成本。但光隔離還具有較長的傳播時間、較低的抗噪性、較高的靜態電流以及隨溫度和老化而迅速劣化的絕緣性能。這些限制將光隔離技術限制在對成本敏感的低速電源轉換器上。
• 磁隔離通過變壓器線圈設計使用耦合電感傳遞信號，並在高頻下提供高隔離度。與光學技術相比，其具有更佳的傳播時間，但也具有較高電磁雜訊的問題、較低的抗噪性以及隨溫度和濕度而導致的絕緣劣化。
• 電容隔離使用變化的電場通過電容傳輸能量。該技術的優勢在於它能夠高速運行，且其封裝相對較小。它具有較高的可靠性，在整個溫度範圍內具有最佳的絕緣穩定性，以及較高的光耦的共模抑制比和低輻射。
圖1所示為電容隔離。德州儀器在其隔離式柵極驅動器、放大器和數位隔離器中使用了電容隔離。
圖1：電容隔離
高頻寬電流和電壓感測
EV充電器應用將電流和電壓感測用於三個主要功能：監視、保護和控制。在電動汽車充電器中，來自電網的能量轉換通常分為兩級。功率因數校正級將電網電壓轉換為穩定的直流母線電壓。然後，DC/DC級將DC電壓轉換為適合EV電池組的電壓。
EV充電器應用將電流和電壓感測用於三個主要功能：監視、保護和控制。在電動汽車充電器中，來自電網的能量轉換通常分為兩級。功率因數校正級將電網電壓轉換為穩定的直流母線電壓。然後，DC/DC級將DC電壓轉換為適合EV電池組的電壓。
圖2所示為EV充電站的框圖，其中電流檢測位置標記為A，電壓檢測位置標記為V。
圖2：電動汽車充電站框圖
功率級中SiC和氮化鎵（GaN）開關的使用日益增加，提高了工作頻率（數百千赫茲至幾兆赫茲），同時提供了更高的效率和更高的功率密度。這些功率級需要精確感測快速開關電流確保控制環路可靠運行，從而確保轉換器穩定運行。快速回應時間、整個溫度範圍內的線性運行以及精確的電流和電壓感測對於所有具有高壓級的高功率系統都至關重要。
電流檢測的半導體技術可大致分為直接和間接感測方法。直接感測方法包括通過採用隔離放大器或隔離Σ-Δ轉換器進行基於分流電阻器的檢測。分流電阻上的壓降通常為50 mV或250 mV（以將電流電阻損耗降至最低），構成該級的輸入。
對於隔離放大器，將縮放的低壓信號發送到外部控制器，以在保持電氣隔離的同時對高電壓軌上的電流進行精確測量。
隔離式Σ-Δ轉換器將分流器兩端的壓降直接調製為數位位元流，當直接與微控制器的Σ-Δ介面連接時可實現更高的頻寬。更高的信號頻寬可確保快速、精確的電流測量以及開關信號的精確表示，從而控制轉換器的功率級。
與基於具有基本一次性校準的霍爾效應解決方案相比，採用基於分流器的傳感是更優的，該方法可在溫度範圍內實現更高的直流精度。由於基於分流器的解決方案對外部磁場不敏感，因此其精度更高，尤其是存在低電流時。基於分流器的解決方案在整個電壓範圍內都呈線性，尤其是在過零和磁芯飽和區域附近。與霍爾效應感測器相比，該解決方案還提供了高達5 kV的增強隔離，並減小了外形尺寸。
間接方法涉及感測載流導體周圍的磁場。例如，霍爾效應感測器通過測量導體周圍產生的磁場來間接檢測流過導體的電流。開環霍爾效應感測器的頻寬高達1 MHz。閉環感測器的頻寬為350 kHz，與開環霍爾效應感測器相比具有更佳的性能，但成本也更高。
鑒於其出色的頻寬和回應時間，開環和閉環霍爾效應感測器可在短路條件下（尤其是在高頻下進行切換時）為分流解決方案中的SiC開關提供更佳的保護。SiC開關的短路耐受時間通常為1-3 µs，且需要快速檢測以防止短路。與基於霍爾效應的解決方案相比，串聯分流器兩端的壓降會導致散熱和功率損耗，尤其是當測量的電流增加時。
隔離式柵極驅動器
高速柵極驅動器對於構建具有高效率、高功率密度且可靠和穩固的電源模組至關重要。柵極驅動器在控制器上的脈寬調製器和大功率開關之間進行連接。基於大功率SiC/IGBT的功率模組要求柵極驅動器具有以極高的速度產生和吸收峰值電流的能力，以最大程度地縮短了導通和關斷的過渡時間，從而將開關損耗降至最低。柵極驅動器必須：
高速柵極驅動器對於構建具有高效率、高功率密度且可靠和穩固的電源模組至關重要。柵極驅動器在控制器上的脈寬調製器和大功率開關之間進行連接。基於大功率SiC/IGBT的功率模組要求柵極驅動器具有以極高的速度產生和吸收峰值電流的能力，以最大程度地縮短了導通和關斷的過渡時間，從而將開關損耗降至最低。柵極驅動器必須：
• 靈活使用具有寬操作電壓和不同類型電源開關的同一驅動器。
• 可在嘈雜的環境和極端溫度條件下運行。
• 具有最小的導通傳播延遲，可實現場效應電晶體（FET）的更快切換，使體二極體的導通時間最小化，從而提高效率。
• 具有良好的延遲匹配，以確保以最小的導通延遲差驅動並聯的金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。
• 可在嘈雜的環境和極端溫度條件下運行。
• 具有最小的導通傳播延遲，可實現場效應電晶體（FET）的更快切換，使體二極體的導通時間最小化，從而提高效率。
• 具有良好的延遲匹配，以確保以最小的導通延遲差驅動並聯的金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。
對於高電壓應用，增強型隔離式柵極驅動器可提高系統抵禦電湧（CMTI）、由電勢差引起的洩漏電流以及其他可能損壞系統異常事件的能力。
基於控制器的位置，控制器和驅動器之間可能需要隔離。傳統的隔離方法是使用非隔離柵極驅動器和分立的變壓器實現隔離。集成式隔離柵極驅動器的傳播延遲與分立式變壓器解決方案相似或更佳，而且佔用的面積減少了50％。此外，集成時的隔離柵極驅動器以提供大於100 V/ns的CMTI，該數字明顯高於分立解決方案所能達到的數字。CMTI是決定柵極驅動器魯棒性的關鍵參數。
為了使轉換器可靠運行，需要柵極驅動器中的保護功能。由於具有提高功率密度和效率的優點，SiC和GaN已成為各類應用中矽IGBT的潛在替代品。SiC MOSFET具有更嚴格的短路保護要求；與IGBT約10 µs相比，短路耐受時間為1-3 µs。集成到柵極驅動器的DESAT管腳對於在檢測短路時提供快速回應至關重要。集成的欠壓鎖定和有源Miller鉗位對於防止半橋應用中FET的誤導通也至關重要。
對具有自然對流冷卻功能的可擕式直流快速充電器（可輕鬆拿起並存放在EV行李箱的背面）的需求正推動設計具有最新功率密度和效率的EV充電器的發展。具有集成柵極驅動器的基於GaN的開關 可提供導通電阻、快速開關和低輸出電容，從而有助於功率密度提高多達三分之一的EV充電器的設計。EV充電器中常用的諧振架構也將從零電壓和零電流開關中受益，這些開關可減輕開關損耗並提高整體系統效率。
結論
在電動汽車充電站中使用的電源轉換器中，高功率密度、可靠性和魯棒性變得越來越重要。隨著功率和電壓水準的提高，保護人員和設備免受危險操作條件的影響至關重要。
在電動汽車充電站中使用的電源轉換器中，高功率密度、可靠性和魯棒性變得越來越重要。隨著功率和電壓水準的提高，保護人員和設備免受危險操作條件的影響至關重要。
目標于高功率密度和高效率充電器的製造商將採用基於IGBT、SiC和GaN的功率轉換器，其開關頻率從幾百赫茲到幾兆赫茲不等。高頻電流和電壓感測器對於這些平臺的開發至關重要。
智慧柵極驅動器技術將實現必要的高電壓電平、快速開關速度以及快速保護的需求。鑒於過去十年來半導體技術的飛躍發展，在短暫的休息時間裡將EV充滿電將很快實現。
