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TI:选对拓朴结构与元件 是实现电动车快速充电的第一步
 

【CTIMES/SmartAuto 吳雅婷 报导】   2020年11月03日 星期二

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随着电动车(EV)变得更多,也反映出对高能源效率的充电基础设施系统更高的建置需求。德州仪器Harish Ramakrishnan指出,简单来说,这些充电系统要能实现车辆的快速充电,且因为新型电动车的续航里程更长、电池容量扩大,加速开发直流充电解决方案也成为必需。

使用碳化矽增加充电站功率密度的优势(source:TI)
使用碳化矽增加充电站功率密度的优势(source:TI)

然而,目前一座150Kw的充电站约需30分钟才能充饱电动车来行驶250km。而直流电充电站,根据Combined Charging System(CCS)及CHArge de MOve(CHAdeMO)的标准,可传输的电力为120kW至240kW,属於第三级(Level 3)充电设施。因此,若要设计一个单一的功率调节单元(power processing unit)来处理如此庞大的电力需求,就需要复杂且难以控制的多层拓朴结构。

Harish Ramakrishnan直指,在功率级选取适当的拓朴结构和元件是增加功率密度的第一步。

他表示,碳化矽(SiC)等宽频隙装置,在阻断高直流链电压(DC link voltage)方面,比矽绝缘闸双极型电晶体(IGBT)更具优势,因此能在更高的电压下运作,并减少功率转换所需的电流而减少电流,就代表减少铜用量,因而增加功率密度。

而采用碳化矽的MOSFET,也能藉由将直流链电压条至1,000V或1,500V,达到高功率密度。

德州仪器「三相三阶碳化矽交流转直流转换器叁考设计」举例,三阶T型转换器的开关只需阻断一半的直流链电压,就能选择像ISO5852S的低成本、低电压阻断装置,而LMG3410R070也能用在逆变器的T型分支中。

但是要转换至更高的直流电压,就需要高品质的强化型隔离技术。Harish Ramakrishnan适时提及德州仪器的电容式隔离技术,其不仅包含闸极驱动器UCC21530、ISO5852、UCC21750,还能提供高达5.7Kvrms的强化隔离,让装置可与碳化矽和IGBT相容。

Harish Ramakrishnan强调,在设计高功率转换器尤其是高於10kW时,使用多层级的拓朴结构至关重要,如此不仅可以减轻电压在装置上的负载,还能确保总谐波失真在可接受范围内。

德州仪器「三相三阶碳化矽交流转直流转换器叁考设计」亦指出,选对拓朴结构,在转换器的双向操作中也非常重要,尤其是在车辆到电网(vehicle-to-grid)的应用中。

此外,开关频率也会直接影响磁性和其他被动元件的尺寸。当提高开关频率时,电感和变压器的尺寸呈现线型下降,德州仪器指出,SiC装置具有较高的导通电阻及开关特性,能将总损失最小化,而提升效率就能提升散热性能,随着元件所产生的热能降低,SiC MOSFET也能用更高的开关频率来提升功率密度。

针对新型充电站直流电解决方案的设计开发,Harish Ramakrishnan指出可以利用并联的模组化电源转换器来提升功率输出,满足快速充电需求;但他也解释,由於直流电充电站相当占空间,电源转换器就需采用模组化设计,并最隹化高效率与高功率密度。

他最後补充,充电站的系统架构中有两条充电路径:第一条直接连结车内车载充电器(onboard charger;OBC),具有交流-直流和直流-直流转换单元,一般可承受6.6kW,在家用与商用中可在8~17小时内完成充电;第二条则采用独立的实体充电站,含有交流-直流和直流-直流功率调节单元,在车外作为电网和电池的介面。

他表示,采用第二条充电路径的转换器会跳过OBC,直接连到电池,因为不在车内,所以可用於更高功率的设计,进一步加速充电。

德州仪器拥有高品质的产品和专业的系统性解决方案,可协助克服EV快速充电的挑战。其「三相三阶碳化矽交流转直流转换器叁考设计」「双向双主动桥式叁考设计:Level 3电动车充电站」的双向转换器,效率皆高於97%,且功率密度约为1.4kW/L(交流-直流)、1.9kW/L(直流-直流)。不仅展示了如何使用德州仪器的闸极驱动器与感测技术,来驱动功率级的SiC MOSFET,同时也测量电压与电流,帮助设计人员打造高效率、高功率密度且高速的电动车充电站。

關鍵字: 电动车  快速充電  SiC  TI 
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