德州儀器作者：哈利許 拉馬克許南（Harish Ramakrishnan）
隨著電動車數量增加，世界各地對高效充電基礎設施的需求隨之而來。和前代電池相比，新型電動車有著更長的續航力和更大容量的電池，因而推動快速直流充電技術的發展，來滿足快速充電的需求。根據「組合式充電系統」以及「Charge de Move」的標準，直流充電站屬於第三級充電設施，可以輸送 120 kW 到 240 kW 的電力。今天，一座 150 kW 充電站需要30分鐘，才能讓電動車有足夠電力可以跑 250 公里。從設計一個單純的電力控制元件到掌握如此大量的電力，需要複雜且難控的多層拓樸結構。
現代充電站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力轉換器。由於直流充電站佔據大量空間，電力轉換器的設計需要模組化並針對高效率、高功率密度進行優化化。
圖1顯示的是充電站的系統架構，共兩條為電池充電的路徑。第一條是電網直接連結車子內部的車載充電器（OBC），OBC 有交流/直流和直流/交流轉換單元，一般可以承受達6.6 kW。在家用與商用應用中，這些 OBC 可以在8至17小時內將電池充好電。第二條路徑使用獨立的實體充電站。充電站的系統路徑由一組安裝在車輛外的交流/直流和直流/交流電力處理單元組成，在車外作為連結電網和電池的介面，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，它們可以設計成更高功率，讓充電更快速。
圖1：直流充電站架構
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。寬頻隙裝置（如碳化矽SiC），比起矽絕緣閘雙極電晶體（IGBT）更能夠阻斷極高直流鏈電壓，此轉換器可以在更高壓下運作，並減少功率轉換所需電流。減少電流意味著漸少銅用量、也就提高了功率密度。
轉換至較高直流電壓，需要更高品質強化隔離。德州儀器的電容式隔離科技，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 SiC 和 IGBT 相容。圖2展示了採用 SiC 的優勢。
圖2：使用 SiC 增加充電站功率密度的優勢
SiC 金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）在功率級可達到高功率密度，方法是將直流鏈電壓轉換至 1,000V/1,500V。在設計高功率轉換器（特別是高於10kW）的時候，使用多層級的拓樸結構是很重要的，因為這可以減輕電壓在裝置上的負載，並維持總諧波失真在可接受範圍內。
德州儀器在「三級三相 SiC 交流直流轉換器參考設計」文中指出，一個T型三級轉換器的開關，只需要阻斷一半的直流鏈電壓，就能選擇更低價、低壓的阻斷裝置，進而節約成本，例如 LMG3410R070 就能用在反向器的T型分支中。拓樸結構選擇在轉換器的雙向操作中也很重要，特別是在連接車輛與電網的應用上。
切換頻率對磁鐵和其他被動元件的體積也有直接的影響。當提高切換頻率時，電感器和變壓器的尺寸呈現線型縮小。SiC MOSFET 讓功率級可以使用更高的切換頻率，進而改善功率密度。SiC 裝置因其較高的導通電阻以及切換特性，還可以壓低總損失，提升功率密度。提升效率等同提升散熱效能，因為元件散熱更少，進而提升功率密度。德州儀器的C2000 即時控制器可為像是SiC MOSFET這類的高頻系統提供必要的性能和靈活性，形成完美搭配。像軟體頻率響應分析儀( Software Frequency Response Analyzer )和補償設計器(Compensation Designer)此類的工具，可輕鬆實現數位控制演算法。
德州儀器擁有高品質的元件和卓越的系統知識，可以協助您克服 EV 快速充電的挑戰。剛剛所提的三相三級參考設計，以及「第三級電動車充電站雙向雙有源電橋參考設計」，都是效率超過97%且功率密度大約1.4kW/L（交流/直流級）、1.9kW/L（直流/直流級）的雙向轉換器。這些設計示範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 MOSFET，同時也測量電壓與電流。這些都非常有助於您面對設計高效率、高功率密度、快速的電動車充電站的挑戰。
