【導讀】快速直流充電市場正在蓬勃發(fā)展。伴隨著電動車（EV）采用的加速，對快速充電基礎設施的需求也在增加。預測未來五年的年復合增長率 (CAGR) 為20%至30%。如果您是在電力電子領域工作的一名應用、產品或設計工程師，遲早會參與到這新的充電系統的設計中。
這里可能會出現一個基本問題，特別是如果您是第一次面臨這樣的挑戰(zhàn)。我應該如何開始，從哪里開始？關鍵的設計考慮因素是什么，我應該如何解決它們？
安森美(onsemi)的EMEA系統工程團隊正準備幫助設計人員解決這樣的挑戰(zhàn)，我們將演示設計和開發(fā)基于SiC功率集成模塊（PIM）的25千瓦快速直流充電樁。
開發(fā)這種類型的大功率電池充電器需要多樣化的技能。位于斯洛伐克Piestany的安森美電源系統科團隊，領導該設計的項目協調，并承擔所有與硬件開發(fā)有關的活動。電源系統應用經理Karol Rendek和高級電源系統應用工程師Stefan Kosterec擔此重任。他們兩人都是經驗豐富的電力電子設計工程師，精通高功率轉換應用。
位于慕尼黑的電機和電源轉換控制團隊進行固件和軟件開發(fā)，該團隊由Daniel Pruna任主管，Dionisis Voglitsis和Rachit Kumar任應用工程師。該團隊在電源轉換器和電機驅動的控制和算法開發(fā)方面擁有多年的經驗。
在這系列文章中，我們將談談直流充電器的開發(fā)過程，在每一部分探討不同的主題。我們將聚焦所面臨的關鍵挑戰(zhàn)、權衡和妥協，并展示如何從頭設計、構建和驗證這樣的系統。我們知道設計之路并非一帆風順，向前邁進的最佳方式是快速啟動、運行和迭代。在第一部分中，我們將描述快速電動車充電器的結構，并定義其關鍵電氣規(guī)格。
快速直流充電器 – 我們在構建什么？
在電動車生態(tài)系統中，直流充電樁提供 "快速 "和 "超快 "充電能力，與較慢的交流充電器形成對比。從本質上講，電動車充電器將來自電網的交流電轉換為適合輸送到電動車電池的直流電。直流充電的電源轉換是在電動車外（"車外"）進行的，然后輸送到車輛，功率等級從低于50千瓦到大于350千瓦（甚至更高的等級也在開發(fā)中）。
更高功率的直流充電樁通常以模塊化的方式構建，15至75千瓦（及以上）的功率塊堆疊在一個柜子里（圖1）。一般來說，直流充電樁的輸出電壓從150 V到1000 V，涵蓋常見的400 V和800 V電動車電池電壓。充電樁可針對較高或較低的電壓端進行優(yōu)化。
這種電源模塊的結構如下：前端一個帶有功率因數校正（PFC）的AC-DC升壓轉換器，然后是一個DC-DC級，提供在電網和負載（電動車的電池）之間的隔離，并調節(jié)輸出端電壓和電流（還是圖1）。該系統也可能是雙向的（特別是在低功率時），因此拓撲結構和設計應考慮到這一點。
圖1. 快速直流充電樁電源模塊概覽
安森美的團隊正在開發(fā)一種具有雙向能力的25千瓦直流充電器。該系統應涵蓋廣泛的輸出電壓范圍，能夠為400 V和800 V電池的電動車充電，經優(yōu)化還可用于更高的電壓等級。輸入電壓的額定值為歐盟400伏和美國480伏的三相電網。功率級應在500 V至1000 V電壓范圍內提供25千瓦。低于500 V時，輸出電流將被限制在50 A，降低功率，與直流充電標準如聯合充電系統(Combined Charging System ，簡稱CCS) 或CHAdeMO（圖2）的電流曲線相一致。
圖2. 25 kW 直流充電樁功率級功率和電流曲線。
低于500 V時電流限值在50 A
關于通信端口，該板將為外部接口（電源塊、充電器系統控制器、車輛、服務和維護之間）提供隔離的CAN、USB和UART基礎架構。總的來說，設計將遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23標準中關于電動車充電的準則。下表概述了系統要求。
表：25 kW快速直流充電樁要求
開發(fā)流程
我們的團隊遵循電源轉換硬件開發(fā)流程的邏輯。這項工作從定義實際的直流充電樁功率級開始。這是基于應用的要求，我們的案例總結在表格中。這些符合市場的需求，并遵循IEC-68515準則。這些要求有助于團隊了解他們需要努力的目標。
第一個可行性研究有助于驗證最初的要求和假設。這些將被整合為系統設計的一部分，包括（在本項目的范圍內）硬件、軟件、熱管理和機械設計、原型和驗證。所有基本的系統變量和解決方案的大多數臨界妥協和權衡都發(fā)生在可行性研究期間。
這些任務和子設計是通過多次迭代進行的，其中一個部分的輸出和假設被反饋到另一個部分。其中兩個主要的設計活動提供了重要的產出，以推進工作：
● 用SPICE模型進行電源仿真
● 使用MATLAB和Simulink進行控制仿真
電源仿真對于確認工作電壓和電流、損耗、冷卻要求以及功率和無源元件的選擇等方面的假設至關重要。一旦實施計劃準備就緒，就要進行包括功率參數在內的控制仿真，以確認采用該電源設計可以有效地執(zhí)行控制回路。
在通過電源和控制仿真證實設計后，就獲批繪制原理圖、布局PCB和制造原型。一旦有了電路板，硬件啟動，就可進行功能測試和系統評定。
這是我們將在本系列中講解的設計過程的簡化摘要。從頭開始開發(fā)一個25千瓦的電動車直流充電樁需要的不僅僅是這些，當我們解決在這過程中遇到的挑戰(zhàn)和問題時，將會獲得最有價值的收獲。
將探討什么？
在本系列文章的后續(xù)部分，我們將進一步專注于一些設計和驗證階段。將解決以下主題：
● 解決方案概述
● 三相PFC整流級
● 雙有源全橋DC-DC級
● 控制算法、調制方案和反饋
● 用于SiC電源模塊的門極驅動系統
● 用于800 V總線的輔助電源單元
● 熱管理
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