推动更快、更安全、更高效EV充电器的技术

作者：Jayanth Rangaraju，德州仪器（TI）系统经理

           Harish Ramakrishnan，德州仪器（TI）系统工程师

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也在日益增长，如此便可更快地为车辆充电。与先前的电动汽车相比，新型电动汽车具有更高的行驶里程和更大的电池容量，因此需要开发快速直流充电解决方案以满足快速充电要求。150 kW或200 kW的充电站约需要30分钟才能将电动汽车充电至80％，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 [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。

•  随着功率转换器能够实现更快的开关频率（几百赫兹至几兆赫兹），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来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，反之又需要高压隔离栅极驱动器来有效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推动因素：

隔离技术

安全合规性在EV充电器中至关重要，因为它们直接与公用电网连接。为了确保操作员安全、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，隔离是必不可少的。具有次级侧控制架构的功率控制器不仅需在功率级（通过隔离变压器）进行隔离，还需在控制器驱动电路和相关的信号调节电路中进行隔离。

由电源转换器的开关操作引起的噪声干扰会对系统性能产生负面影响。例如，当电源转换器开关的瞬变发生时，高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）的隔离器来维持信号完整性。

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，可分为三种基本隔离类别：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，但产品必须具备此功能才能运行。基本隔离是可提供基本防震保护的单层绝缘。增强隔离是一种可提供相当于双重隔离电击保护的单隔离系统。

半导体可使用多种隔离技术：

•  光学隔离使用LED光线在透明的非导电绝缘层上传输，其主要优点是具有高电气隔离值和低成本。但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劣化的绝缘性能。这些限制将光隔离技术限制在对成本敏感的低速电源转换器上。

•  磁隔离通过变压器线圈设计使用耦合电感传递信号，并在高频下提供高隔离度。与光学技术相比，其具有更佳的传播时间，但也具有较高电磁噪声的问题、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，且其封装相对较小。它具有较高的可靠性，在整个温度范围内具有最佳的绝缘稳定性，以及较高的光耦的共模抑制比和低辐射。

图1所示为电容隔离。德州仪器在其隔离式栅极驱动器、放大器和数字隔离器中使用了电容隔离。

图1. 电容隔离 

图1中英文翻译： 

高带宽电流和电压感测

EV充电器应用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级。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所示为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。

图2. 电动汽车充电站框图

功率级中SiC和氮化镓（GaN）开关的使用日益增加，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感测快速开关电流确保控制环路可靠运行，从而确保转换器稳定运行。快速响应时间、整个温度范围内的线性运行以及精确的电流和电压感测对于所有具有高压级的高功率系统都至关重要。

电流检测的半导体技术可大致分为直接和间接感测方法。直接感测方法包括通过采用隔离放大器或隔离Σ-Δ转换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），构成该级的输入。

对于隔离放大器，将缩放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电压轨上的电流进行精确测量。

隔离式Σ-Δ转换器将分流器两端的压降直接调制为数字比特流，当直接与微控制器的Σ-Δ接口连接时可实现更高的带宽。更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精确表示，从而控制转换器的功率级。

与基于具有基本一次性校准的霍尔效应解决方案相比，采用基于分流器的传感是更优的，该方法可在温度范围内实现更高的直流精度。由于基于分流器的解决方案对外部磁场不敏感，因此其精度更高，尤其是存在低电流时。基于分流器的解决方案在整个电压范围内都呈线性，尤其是在过零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测量导体周围产生的磁场来间接检测流过导体的电流。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具有更佳的性能，但成本也更高。

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开关提供更佳的保护。SiC开关的短路耐受时间通常为1-3 µs，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、高功率密度且可靠和稳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进行连接。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，以最大程度地缩短了导通和关断的过渡时间，从而将开关损耗降至最低。栅极驱动器必须：

•  灵活使用具有宽操作电压和不同类型电源开关的同一驱动器。

•  可在嘈杂的环境和极端温度条件下运行。

•  具有最小的导通传播延迟，可实现场效应晶体管（FET）的更快切换，使体二极管的导通时间最小化，从而提高效率。

•  具有良好的延迟匹配，以确保以最小的导通延迟差驱动并联的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

对于高电压应用，增强型隔离式栅极驱动器可提高系统抵御电涌（CMTI）、由电势差引起的泄漏电流以及其他可能损坏系统异常事件的能力。

基于控制器的位置，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非隔离栅极驱动器和分立的变压器实现隔离。集成式隔离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佳，而且占用的面积减少了50％。此外，集成时的隔离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所能达到的数字。CMTI是决定栅极驱动器鲁棒性的关键参数。

为了使转换器可靠运行，需要栅极驱动器中的保护功能。由于具有提高功率密度和效率的优点，SiC和GaN已成为各类应用中硅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管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（可轻松拿起并存放在EV行李箱的背面）的需求正推动设计具有最新功率密度和效率的EV充电器的发展。具有集成栅极驱动器的基于GaN的开关 可提供导通电阻、快速开关和低输出电容，从而有助于功率密度提高多达三分之一的EV充电器的设计。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

在电动汽车充电站中使用的电源转换器中，高功率密度、可靠性和鲁棒性变得越来越重要。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至关重要。

目标于高功率密度和高效率充电器的制造商将采用基于IGBT、SiC和GaN的功率转换器，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，在短暂的休息时间里将EV充满电将很快实现。