目前，全球已推出或即将推出 20 多款配备 800 V 系统的车型，提供超过350kW 充电功率的快速充电站已广泛普及。预计充电模块将朝着更高功率和更高效率的趋势发展。通过采用合适的功率元件、拓扑结构以及坚固耐用的控制器，我们将拥有更多大功率充电站，在解决用户续航焦虑的同时减少碳排放。本文将介绍电动汽车直流充电桩设计的解决方案。
一、总体方案
下图是一种常见的两电平电动汽车充电电路，由一个三相半桥功率级和第二个双有源桥(DAB)
功率级组成。该系统结构简单，运行效率高，易于控制。它采用相移调制，在高负载下实现零电压开关(ZVS)，同时在 200V 至 1000V
的宽充电电压范围内实现效率最 大化。在 25kW 电动汽车直流充电桩的设计中，使用了 7 个半桥功率模块。
安森美(onsemi)的全碳化硅(SiC)半桥功率集成模块(PIM)非常适合电动汽车直流充电桩的设计，它具备易于安装的封装和规格， 极大降低了热阻和寄生电感， 有助于实现更高的系统运行效率和功率密度。
1、EliteSiC，全碳化硅功率集成模块， M3S，NXH004P120M3F2，半桥， 1200V， 4mΩ：
(1)内置全新第三代碳化硅芯片；
(2)出色的品质因数(FOM) = [RDS(ON) × EOSS]；
(3)采用 HPS 或 DBC 基板， 低热阻；
(4)预涂导热界面材料。
转换器由使用宽禁带元件的电桥组成，存在低边 MOSFET 自导通的风险。主要的原因包括米勒电容、栅极电阻和高 dv/dt。解决方案之一是使用提供负栅极电压的栅极驱动器。
NCP51752是一款单通道隔离栅极驱动器， 拉电流和灌电流峰值分别为 4.5 A/9 A。它可为快速开关应用提供短且匹配的传播延迟。NCP51752 最重要的特点是创新的嵌入式负偏置轨机制(-2/-3/-4/-5 V)。
在大功率状态下工作时，监控功率模块和其他关键元件的状态至关重要，尤其是它们的温度。安森美 EliteSiC 全碳化硅(SiC)功率集成模块(PIM)集成了负温度系数热敏电阻(NTC)，能够实现实时监测，并迅速切换工作模式或激活冷却器件。同时，为了防止短路和高电流造成的损坏， 需要将电流测量电路放置在电桥上。这种解决方案成本效益高，与栅极驱动器中的去饱和(DESAT)保护相比，提供了更好的灵活性。
安森美提供多种信号调节和控制产品。NCS2007x 系列运算放大器提供轨到轨输出操作，3MHz 带宽，并提供单路、双路和四路配置。其多种紧凑的封装和 2.7V 至 36V 的宽供电电压范围，使其适用于各种应用。为实现高精度电流监控，推荐使用 NCS21x，它具有低供电电压和低偏置的零漂移架构，可最 大化在分流电阻上实现电流检测，满量程压降可低至10mV。
在 25 kW 电动汽车直流充电桩的辅助电源设计中， NCV890100 用于为部分低压元件供电。NCV890100 是一款固定频率、单片式降压开关稳压器。它适用于要求低噪声和小外形尺寸的系统。NCV890100 能够以高于调幅(AM) 波段的恒定开关频率将典型的 4.5 V至 18 V 输入电压转换为低至 3.3 V 的输出电压，从而无需昂贵的滤波器和电磁干扰应对方法。
NCP3064 是另一款适用于升压和降压应用的 DC-DC 稳压器，其设计特点在于最小化外部元件的数量。这两款产品都集成了热关断保护功能(TSD)。
2、EliteSiC， 1200 V MOSFET， M3S 系列新型 1200 V M3S 平面碳化硅 MOSFET 系列：
(1)针对高温运行进行了优化；
(2)改善寄生电容，适合高频运行；
(3)RDS(ON) =22 mΩ @VGS =18 V*；
(4)超低栅极电荷 (QG(TOT))=137 nC*；
(5)高速开关，具有低电容特性(COSS =146 pF)*；
(6)提供开尔文源极连接。
3、场截止第七代， IGBT， 1200 V：
(1)新型 1200V 沟槽型场截止第七代 IGBT 系列；
(2)沟槽窄台面与质子注入多重缓冲技术；
(3)提供快速开关与低饱和压降 VCE(SAT)类型；
(4)改进寄生电容，适用于高频运行；
(5)通用封装；
(6)目标应用 - 能源基础设施、工厂自动化。
4、EliteSiC， 全碳化硅功率集成模块， 900V/1200V：
(1)可用配置：维也纳，半桥，全桥；
(2)低热阻；
(3)内置 NTC 热敏电阻；
(4)在更高电压下改善了 RDS(ON)；
(5)更高效、更高功率密度；
(6)灵活的高可靠性热接口解决方案。
二、如何选择栅极驱动器
电流驱动能力：开关的导通和关断实际上是输入输出电容器的充放电过程。更高的灌电流和拉电流能力意味着更快的导通和关断速度，最终带来更小的开关损耗。
故障检测：栅极驱动器不仅用于驱动开关，还能保护开关甚至整个系统。例如，欠压锁定(UVLO)可确保栅极驱动器的电源处于良好状态，去饱和(DESAT)用于检测短路，有源米勒箝位可防止在快速开关系统中出现误导通。
抗扰性：共模瞬态抗扰度(CMTI)是指栅极驱动器输入和输出电路之间共模电压上升或下降的最 大容许速率，它决定了该产品是否可用于快速开关系统。大功率系统以非常快的变化率运行，例如大于 100 V/ns 时会产生非常大的电压瞬变。隔离栅极驱动器需要能够承受高于额定电平的 CMTI，以防止低压电路侧产生噪声，并防止隔离势垒失效。
传播延迟：传播延迟是指从输入 10%到输出 90%的时间延迟(供应商之间可能有所不同)。这种延迟会影响器件之间的开关时序，这在高频应用中至关重要。设置死区时间可以避免击穿乃至进一步损坏，死区时间设置得越少，开关损耗就会越小。
兼容性：在新项目中，如果没有重大设计变更，引脚对引脚的替换总是首选。选择规格和封装相似的栅极驱动器有利于快速设计。
当然，并非每一点都需要遵循。例如，与 IGBT 不同， 碳化硅 MOSFET 的输出特性更像可变电阻，没有饱和区，这意味着普通的去饱和检测原理行不通。作为解决方案之一，通常使用电流传感器来检测过流，或使用温度传感器来检测异常温度。
1、碳化硅(SiC) 隔离栅极驱动器NCP51561：
(1)4.5 A/9 A 峰值拉/灌电流；
(2)36 ns 传播延迟， 8 ns 最 大延迟匹配；
(3)5 kV 电隔离， CMTI≥200 V/ns；
(4)双通道设计；
(5)8 毫米爬电距离的 SOIC-16WB 封装。
2、隔离型大电流栅极驱动器NCD57080：
(1)高电流峰值输出(6.5 A/6.5 A)；
(2)欠压锁定(UVLO) ， 有源米勒箝位；
(3)3.5 kV 电隔离， CMTI≥100 V/ns；
(4)典型 60 ns 传播延迟；
(5)单通道设计；
(6)8 毫米爬电距离的 SOIC-8WB 封装。
三、常用 AC-DC 功率因数校正(PFC)拓扑结构
1、有源前端：
(1)无桥接导通损耗；
(2)电路简单，易于控制，元件少；
(3)开关需要耐受全母线电压和尖峰电压；
(4)宽禁带(WBG)元件更受青睐，以降低总谐波失真(THD)；
(5)减小电感器尺寸；
(6)允许双向转换。
2、维也纳整流器和 T-NPC：
(1)三电平配置降低了总谐波失真(THD)和开关上的电压应力；
(2)易于控制，每相只需一个驱动信号即可驱动背靠背开关；
(3)开关的母线电压减半；
(4)桥接引起的导通损耗；
(5)通过全开关替换实现双向转换。
3、交错并联 Boost 电路，单相：
(1)减小电感器尺寸、电流应力和 EMI；
(2)易于控制，电路简单， 双倍/三倍元件；
(3)易于提高输出功率；
(4)桥接引起的导通损耗；
(5)仅单向运行。
4、图腾柱 PFC，单相：
(1)提高效率、 减少电磁干扰(EMI)、 降低总谐波失真(THD)，减少每个导通周期的开关数量；
(2)开关数量少，功率密度高；
(3)需要宽禁带元件以减少恢复损耗；
(4)零交越点噪声、共模噪声；
(5)支持双向转换。
四、DC-DC 转换的常用拓扑结构
1、LLC 谐振转换器：
(1)频率调制， 谐振转换器实现软开关以提高效率；
(2)初级侧零电压开关(ZVS) ， 次级侧零电流开关(ZCS)；
(3)集成电感器以节省空间；
(4)复杂的谐振腔设计与控制；
(5)良好的 EMI 和输出纹波；
(6)需要额外的 DC-DC 转换以达到宽输出范围，以确保高效；
(8)在高频/高电压操作中，首选宽禁带元件；
(9)仅单向运行。
2、双有源桥变换器：
(1)运行相移调制以实现高负载下的零电压开关(ZVS)；
(2)两级电流不匹配导致的意外损耗；
(3)相移、变压器、频率等方面的复杂设计以达到预期效率；
(4)在高频/高压运行中，首选宽禁带元件；
(5)在大功率情况下减少输出电流纹波以减小输出电容器尺寸；
(6)隔离转换以确保安全。
3、CLLC 谐振变换器：
(1)在 LLC 的基础上增加一个电容器以实现双向转换；
(2)复杂的调频和无源元件选择，以实现双向高效率；
(3)需要额外的 DC-DC 转换以在确保高效的情况下达到宽输出范围；
(4)全负载范围内效率优于双有源桥(DAB)变换器；
(5)隔离转换以确保安全。
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