技术推动者更快、更安全、高效的电动汽车充电器

随着电动车(电动车)数量的增加,越来越多的需要创建更节能的充电基础设施系统,可以收取车辆比以往任何时候都要快。新电动汽车有更高的范围和更大的电池容量比他们的前辈们,需要快速的发展直流充电解决方案以支持快速充电器的需求。需要大约30分钟150或200千瓦充电站充电电动车高达80%,这是足够的力量去旅行大约250公里。快速直流充电器站,根据充电系统和电荷de移动标准相结合,可以实现功率400千瓦。

今天,我们将着眼于半导体技术驾驶得更快,更安全,更高效的充电器:

• 高压半导体开关(绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC))正在推高总线电压(800 V或1000 V)系统。提高系统电压的隔离技术要求,确保整体的安全性和可靠性。
• 作为功率转换器能够更快的开关频率(数百千赫到几兆赫),在这些高频率操作减少了磁性元件的大小和其他被动电路中使用的设备,从而降低了系统成本,提高整体功率密度。因此,有必要对高带宽电流和电压传感准确地控制和保护数字阶段。
• 更高的效率需要使用多层次复杂的阶段,进而需要高压绝缘栅驱动程序需要有效开关这些阶段和降低整体切换损失,同时也包括增强隔离和短路保护功能。

让我们更深入的看这些技术的推动者。

隔离技术

安全合规在电动车充电器是至关重要的,因为他们直接与公用电网接口。隔离是必要的,以确保操作安全,保护处理器从高压功率变流器系统的损害,并防止地面循环和潜在的差异不同的通信子系统。与二次侧电源控制器控制体系结构需要隔离不仅功率级(通过隔离变压器),但也在控制器驱动电路和相关的信号调节电路。

噪声干扰引起的电源转换器的转换作用可以影响系统的性能。例如,当从电源转换器切换瞬变发生,高转换速率会引起瞬态电压信号通路和创建一个需要一个隔离器的共模电压瞬态模瞬态高免疫力(CMTI)保持信号完整性。

增加直流环节电压在电动汽车充电站还显示钢筋隔离操作安全的重要性和可靠性。根据工作电压,有三种基本类型的隔离:功能、基本和强化。功能隔离,也称为操作绝缘,不保护或隔离免受电击,但需要一个产品的功能。基本绝缘隔离是一个水平提供基本保护冲击。加强隔离是一个绝缘系统,提供电击相当于双重绝缘保护。

半导体的各种隔离技术是可能的:

• 光学隔离使用LED灯转移在一个透明的绝缘的绝缘屏障。其主要优点是高电气隔离的价值观和低成本。然而,光学隔离也一直传播时代,低噪声免疫力,更高的静态电流,绝缘和快速退化与温度和年龄。这些限制限制光学隔离技术厂商,低速电源转换器。
• 磁隔离使用电感耦合传输使用变压器线圈的设计和提供高隔离在高频率。它提供了更好的传播时代相比,光学技术,但高电磁噪声问题,低噪声免疫力,和绝缘退化与温度和水分。
• 电容隔离使用电场变化通过电容传递能量。这种技术的优点是它能够运行在高速度和其相对较小的方案。最高最好的绝缘可靠性稳定温度,随着高CMTI和低辐射排放。

图1显示了电容隔离,德州仪器使用的绝缘栅司机、放大器和数字光电隔离器。

图1所示。电容隔离

高带宽电流和电压传感

电动车充电器应用程序使用电流和电压传感的三个主要功能:监测、保护和控制。在电动车充电器,转换的能量从电网通常发生在两个阶段。功率因数校正阶段将电网电压转换为稳定的直流环节电压。然后一个DC / DC阶段将直流电压转换为电压适用于电动汽车电池组。

图2是一个电动汽车充电站的框图,与现代的位置标记为voltage-sense位置标记为V。

图2。电动汽车充电站的框图

增加使用碳化硅和氮化镓(GaN)开关功率级使频率增加的操作(数百千赫到几兆赫),而提高效率和更高的功率密度。这些权力阶段需要精确的传感快速交换电流控制回路,确保运行可靠的稳定运行的转换器。快速响应时间、线性操作过热和精确的电流和电压传感与高压阶段所有大功率系统至关重要。

半导体技术援助与当前传感大体可以分为直接和间接传感方法。直接方法包括分流resistor-based传感采用一个孤立的放大器或孤立的迴路。分流电阻的电压降,这通常是50 mV或250 mV(羚阻损失控制在最小),形成了这一阶段的输入。

对于一个孤立的放大器,放大比例的低压信号发送到外部控制器上有精确的测量电流高压rails,同时保持电气隔离。

一个孤立的迴路调节上的电压降分流直接进入数字比特流,当直接与单片机的界面的法外围支持更高的带宽。更高的信号带宽保证快速、精确的电流测量和控制开关信号的准确表示转换器的功率级。

Shunt-based传感是首选的,因为这种方法可以达到更好的直流精度温度相比Hall-effect-based解决方案与基本的一次性校正。Shunt-based解决方案更准确,特别是在低电流,因为它们有限的外部磁场灵敏度。Shunt-based解线性整个电压范围,特别是在零交叉和磁芯饱和区域附近。该解决方案还提供钢筋隔离5 kV和降低形式相比,采用霍尔传感器。

间接方法包括传感载流导体周围的磁场。例如,采用霍尔传感器提供了一种间接测量导线周围的磁场产生的感应电流。开环采用霍尔传感器可用的带宽1 MHz。闭环传感器的带宽350 kHz和提供更好的性能比开环采用霍尔传感器,而且成本更高。

鉴于其优越的带宽和响应时间,开放和闭环采用霍尔传感器为碳化硅切换分流提供更好的保护解决方案在短路条件下,尤其是在高频率切换。碳化硅的短路承受时间开关通常是1 - 3µs和需要快速检测以防止短路。上的电压降内联分流导致热耗散和功率损耗Hall-effect-based解决方案相比,特别是在测量电流增加。

绝缘栅驱动程序

高速门司机是至关重要的建立一个电源模块,效率高,功率密度高,可靠和健壮。门驱动程序之间的接口控制器和大功率开关脉宽调制器。大功率SiC - / IGBT-based电源模块需要门驱动程序的源和汇峰电流以极高的速度,减少接通开启和岔道过渡时间,从而减少切换损失。门司机必须:

• 灵活使用相同的驱动程序与宽操作电压和不同类型的电源开关。
• 在嘈杂的健壮的操作环境和极端温度条件。
• 有最低接通开启传播延迟,使快速切换的场效应晶体管(FET),减少身体的传导时间二极管,从而提高效率。
• 具有良好的延迟匹配,确保驾驶的平行的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)与最小延迟差异。

对于高压应用程序,加强绝缘栅驱动程序提供增加系统弹性对激增(CMTI),泄漏电流造成的潜在的差异,以及其他异常事件,威胁要破坏这个系统。

根据控制器的位置,可能需要隔离控制器和驱动程序。隔离的传统方法是使用一个单独的变压器non-isolated门驱动程序。一个集成门驱动器类似或更好的传播延迟比离散变压器的解决方案而占用面积少50%。此外,一个完整的门驱动器可以被定制,提供CMTI大于100 V / ns,很多明显高于离散实现的解决方案。CMTI是一个关键参数,决定了门驱动程序的鲁棒性。

保护功能在门司机需要转换器的可靠运行。由于改进的功率密度和效率的好处,碳化硅和氮化镓已经成为一个潜在的替代硅igbt为各种应用程序。SiC MOSFET具有更严格的短路保护要求;短路时间是1到3µs IGBT,相比10µs左右。DESAT销集成门驱动器是在检测短路提供快速响应的关键。综合欠压锁定和积极米勒夹也至关重要的防止虚假接通开启场效应晶体管用于网格应用程序。

需要便携式直流快速充电器与自然对流冷却(也可以很容易地拿起并存储在电动车的后备箱)正在推动的极限设计电动汽车充电器与最先进的功率密度和效率。GaN-based开关集成门司机提供导通电阻、快速切换和低输出电容,协助电动车充电器的设计高达三分之一提高功率密度。共振结构常用于电动车充电器也将受益于问世和零电流切换,降低切换损失,提高整个系统的效率。

结论

高功率密度、可靠性和鲁棒性变得越来越重要在电力转换器用于电动汽车充电站。随着功率和电压水平,重要的是要保护人类以及设备对危险的操作环境。

制造商针对高功率密度和效率充电器将拥抱IGBT,原文如此,GaN-based功率转换器与开关频率从数百千赫到几兆赫。高频电流和电压传感器在这些平台上发展将至关重要。

智能门驱动器技术将使必要的高电压水平,快速切换速度,和快速保护的必要性。鉴于半导体技术的飞跃,已经在过去的十年中,很快就可能给电动车快速咖啡期间其齐全。

这篇文章是由哈瑞Ramakrishnan德州仪器公司的系统工程师。

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