浅谈汽车电子的快速直流充电系统

半导体

对于要求苛刻的消费类电动汽车市场，基于最新宽带隙半导体的快速直流充电系统正在成为首选方式。

在为电动汽车充电时，有几种方法可用。目前正在部署高速公路和城市充电站，但在家充电是主要的市场趋势。大多数单独的乘用车保持停放过夜，使家庭充电更容易，而且通常比在其他地方充电更便宜。

电动汽车（EV）的采用曲线不断向好的方向发展，因为先进的电力电子设备和转换拓扑改善了电动汽车的性能，从而解决了行驶里程焦虑和电池寿命问题。这些改进的 EV 电源管理和电机控制电子设备主要归功于下一代宽带隙（WBG）半导体的出现，因为它们促成了高效先进电源系统的创建。

这些相同的 WBG 半导体也在各个层面为电动汽车充电行业注入活力（双关语）。随着消费者的担忧从里程焦虑转移到充电速度，基于 WBG 的充电系统现在正在市场上部署，以满足家庭电动汽车快速充电的需求。这些下一代电动汽车充电器在电动汽车采用率和范围方面发挥着重要作用。

向前冲锋

最流行的基于 WBG 的壁式充电器类型被称为模式 3（2 级）系统，可提供高达 50 千瓦的功率，比基于传统技术的早期 1 级系统的输出功率高得多。基于直流的充电器，也称为 3 级或直流快速充电（DCFC）系统，工作功率从 25 千瓦到超过 350 千瓦，显着减少了信息亭和其他公共场所的充电时间。

充电站

在 15 分钟内，一个 150 kW 的直流充电器可以在 EV 上行驶 200 公里，使用当今市场上最好的直流快速充电器，许多人可以在一小时内获得 80% 的电量。家用直流快速充电系统正在成为不断增长的电动交通基础设施的重要组成部分。在开发面向消费者的资本货物时，寿命和可靠性与购买决策中的成本效益竞争。

所有能够以具有成本效益的方式提高功率转换系统的效率、安全性和性能的做法只会提高接受度。电源转换系统的三个方面包括测量电流、确保严格的功率因数校正、频率管理和解决热问题。每个都相互影响以影响系统的整体性能。

WBG 类型

WBG 半导体目前有两种类型，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。每个都有其各自的优势，但两者都创造出比基于硅的传统晶体管性能更好的设备。有趣的是，GaN 非常适合中低功率应用，而 SiC 则适用于非常高的电压和功率水平。

GaN 是一种压电半导体，能够实现极高的效率和开关频率，不仅能够实现更好的性能，而且由于能够减小所涉及的无源元件的尺寸，因此能够减少解决方案的占位面积。SiC 可以更高效地在更高的温度下运行，同时管理足够高的电压以应对最苛刻的 EV 系统。

在最新的家用和公共 EV 充电器中，GaN 更多地出现在控制电子设备中，而 SiC 更多地出现在功率转换阶段。这种分裂在中等功率水平上是模糊的，因为 GaN 和 SiC 都可以处理数百伏和数十安培的应用。这导致了升级板上所有相关组件以解决系统附加功能的压力。

现在发生的事

在先进的基于 WBG 的电力系统中，准确、快速和智能的电流测量至关重要。除了确定功率输出外，正确的电流测量还可以帮助管理热性能，因为不良的热管理具有破坏性且成本高昂。正确完成高级电流测量可以显着提高基于 WBG 的高级电源电路的性能、安全性和成本效益。

大多数下一代充电器都在其性能范围的边缘被驱动，并且先进的电流测量提供了早期故障检测和实时性能信息等。基于 WBG 的电力系统需要指示超出范围的电流状况、过流状况或其他性能损失，以预测和解决潜在的热问题。

电力电子性能的危险以及系统热问题的范围从接地故障和短路到在极端功率水平和超出系统支持能力的负载条件下运行。先进充电系统中的电流传感器部署在每个转换器电路中，以执行反馈控制回路功能的初始部分，该功能调节逆变器中电力系统的性能、效率和热线性度，尤其是基于 WBG 半导体的逆变器。

对于这些电源系统中的电流感应，集成式感应解决方案是唯一真正的解决方案，因为它不仅提供所需的性能，而且与使用运算放大器和比较器的板组装解决方案相比，还可以显着节省空间。非集成实现的大小将根据所选的实际组件而有所不同，但它会大于单封装解决方案。如果我们为这种类型的设备使用传统的组件封装尺寸，大约 2~3 毫米，这会导致解决方案的尺寸达到几十毫米。

过电流检测

根据定义，电流测量是防止电子系统损坏的过流和欠流保护的一个关键方面。在基于 WBG 的电力系统的速度、功率水平和始终开启方面，传统熔断器在任何情况下都不再适用于这些先进的电力产品，除非是为了防止灾难性故障。WBG 电源系统更高的开关速度和功率水平要求对先进电动汽车充电器的每个关键方面进行实时监控。

除了在过流情况下切断电源之外，使用保险丝进行保护并不能为您提供有关电源系统实际性能的任何信息。使用电流传感器，可以针对任何给定应用优化过电流检测响应。整个系统的电路保护和安全性至关重要，Aceinna 等电流检测解决方案非常适合过电流检测，因为它们具有非常快的响应和大电流测量范围。由于隔离，它们可用于电路的高端和低端。

与分流加隔离放大器解决方案相比，隔离等方面的集成以及 amr 传感器和温度校正降低了客户设计的复杂性。此外，通过在高侧使用 Aceinna 电流传感器等设备，可以检测到相电流的接地故障（可能是由于接线错误、老化等原因），从而可以保护整个系统。

电流传感器

电能质量对于高效运行至关重要，尤其是在这些先进的 WBG EV 充电器中，功率因数是其中很大一部分。有功功率与视在功率之比（例如低于 95% 的不良功率因数）会导致完成相同工作所需的电流更大。功率因数校正（PFC）提高了该比率和电能质量，减少了电网压力，提高了设备能源效率，降低了电力成本，同时降低了不稳定和系统故障的风险。

在负载附近产生与电池充电器等负载吸收的能量相反的无功能量，提高了功率因数，并在负载点应用理想补偿，实时达到所需水平。在低压侧的 PFC 设备上使用电流传感器可提高可用功率。

开关频率

在基于 WBG 的电源系统中，尤其是基于 GaN 的电源系统中，电源电路中的开关频率已显着提高，这就要求磁性器件和无源器件具有更高的性能。先进的电流感应解决了对系统中更好组件的需求。此外，提高稳压器频率可降低电源电路的尺寸和电路板尺寸要求。然而，随着频率的增加，开关损耗也会增加，这主要是由于开启期间的高边损耗以及体二极管传导损耗。

需要在先进的 WBG 快速开关电路中进行电流测量，以实时跟踪电流，以实现尽可能高的效率。人工智能和机器学习也需要智能电流测量，以创建控制算法以获得更好的性能。由于其高相位裕度，Aceinna 的高精度和高带宽电流解决方案提高了系统效率，同时简化了电流控制设计。

向前行驶

快速充电系统市场需要基于最新 WBG 设备和电路拓扑的先进、高效且具有成本效益的充电解决方案，以加速 EV 的采用和市场可行性。使用最新电源系统进行家庭快速充电是更可取的电动汽车充电形式之一，使用先进的电流感应来优化此类基于 WBG 的系统将确保产品在电动汽车充电市场上取得成功。

Michael DiGangi已被任命为执行副总裁，负责 ACEINNA 的全球销售工作。他带来了超过 26 年的功率和模拟 IC 半导体销售、业务开发和营销经验，这些经验跨越了许多大型公司和初创企业。