开发基于碳化硅(SiC)的25kW快速直流充电桩(第一部分)：电动

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本系列文章将谈论直流充电器的开发过程，在每一部分探讨不同的主题。将聚焦所面临的关键挑战、权衡和妥协，并展示如何从头设计、构建和验证这样的系统。在第一部分中，将描述快速电动车充电器的结构，并定义其关键电气规格。

快速直流充电市场正在蓬勃发展。伴随着电动车(EV)采用的加速，对快速充电基础设施的需求也在增加。预测未来五年的年复合增长率(CAGR)为20%至30%。如果您是在电力电子领域工作的一名应用、产品或设计工程师，迟早会参与到这新的充电系统的设计中。
这里可能会出现一个基本问题，特别是如果您是第一次面临这样的挑战。我应该如何开始，从哪里开始？关键的设计考虑因素是什么，我应该如何解决它们？
安森美的EMEA系统工程团队正准备帮助设计人员解决这样的挑战，我们将演示设计和开发基于SiC功率集成模块(PIM)的25千瓦快速直流充电桩。

开发这种类型的大功率电池充电器需要多样化的技能。位于斯洛伐克Piestany的安森美电源系统科团队，领导该设计的项目协调，并承担所有与硬件开发有关的活动。电源系统应用经理Karol Rendek和高级电源系统应用工程师Stefan Kosterec担此重任。他们两人都是经验丰富的电力电子设计工程师，精通高功率转换应用。
位于慕尼黑的电机和电源转换控制团队进行固件和软件开发，该团队由Daniel Pruna任主管，Dionisis Voglitsis和Rachit Kumar任应用工程师。该团队在电源转换器和电机驱动的控制和算法开发方面拥有多年的经验。
在这系列文章中，我们将谈谈直流充电器的开发过程，在每一部分探讨不同的主题。我们将聚焦所面临的关键挑战、权衡和妥协，并展示如何从头设计、构建和验证这样的系统。我们知道设计之路并非一帆风顺，向前迈进的最佳方式是快速启动、运行和迭代。在第一部分中，我们将描述快速电动车充电器的结构，并定义其关键电气规格。

快速直流充电器——我们在构建什么？


在电动车生态系统中，直流充电桩提供"快速"和"超快"充电能力，与较慢的交流充电器形成对比。从本质上讲，电动车充电器将来自电网的交流电转换为适合输送到电动车电池的直流电。直流充电的电源转换是在电动车外("车外")进行的，然后输送到车辆，功率等级从低于50千瓦到大于350千瓦(甚至更高的等级也在开发中)。
更高功率的直流充电桩通常以模块化的方式构建，15至75千瓦(及以上)的功率块堆叠在一个柜子里(图1)。一般来说，直流充电桩的输出电压从150V到1000V，涵盖常见的400V和800V电动车电池电压。充电桩可针对较高或较低的电压端进行优化。
这种电源模块的结构如下：前端一个带有功率因数校正(PFC)的AC-DC升压转换器，然后是一个DC-DC级，提供在电网和负载(电动车的电池)之间的隔离，并调节输出端电压和电流(还是图1)。该系统也可能是双向的(特别是在低功率时)，因此拓扑结构和设计应考虑到这一点。

                               
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图1：快速直流充电桩电源模块概览

安森美的团队正在开发一种具有双向能力的25千瓦直流充电器。该系统应涵盖广泛的输出电压范围，能够为400V和800V电池的电动车充电，经优化还可用于更高的电压等级。输入电压的额定值为欧盟400伏和美国480伏的三相电网。功率级应在500V至1000V电压范围内提供25千瓦。低于500V时，输出电流将被限制在50A，降低功率，与直流充电标准如联合充电系统(Combined Charging System，简称CCS)或CHAdeMO(图2)的电流曲线相一致。

                               
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图2：25kW直流充电桩功率级功率和电流曲线。低于500V时电流限值在50A

关于通信端口，该板将为外部接口(电源块、充电器系统控制器、车辆、服务和维护之间)提供隔离的CAN、USB和UART基础架构。总的来说，设计将遵循IEC-61851-1和IEC-61851-23标准中关于电动车充电的准则。下表概述了系统要求。

表：25kW快速直流充电桩要求

                               
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开发流程


我们的团队遵循电源转换硬件开发流程的逻辑。这项工作从定义实际的直流充电桩功率级开始。这是基于应用的要求，我们的案例总结在表格中。这些符合市场的需求，并遵循IEC-68515准则。这些要求有助于团队了解他们需要努力的目标。
第一个可行性研究有助于验证最初的要求和假设。这些将被整合为系统设计的一部分，包括(在本项目的范围内)硬件、软件、热管理和机械设计、原型和验证。所有基本的系统变量和解决方案的大多数临界妥协和权衡都发生在可行性研究期间。
这些任务和子设计是通过多次迭代进行的，其中一个部分的输出和假设被反馈到另一个部分。其中两个主要的设计活动提供了重要的产出，以推进工作：

[li]用SPICE模型进行电源仿真[/li][li]使用MATLAB和Simulink进行控制仿真[/li]

电源仿真对于确认工作电压和电流、损耗、冷却要求以及功率和无源元件的选择等方面的假设至关重要。一旦实施计划准备就绪，就要进行包括功率参数在内的控制仿真，以确认采用该电源设计可以有效地执行控制回路。
在通过电源和控制仿真证实设计后，就获批绘制原理图、布局PCB和制造原型。一旦有了电路板，硬件启动，就可进行功能测试和系统评定。
这是我们将在本系列中讲解的设计过程的简化摘要。从头开始开发一个25千瓦的电动车直流充电桩需要的不仅仅是这些，当我们解决在这过程中遇到的挑战和问题时，将会获得最有价值的收获。

将探讨什么？


在本系列文章的后续部分，我们将进一步专注于一些设计和验证阶段。将解决以下主题：

[li]解决方案概述[/li][li]三相PFC整流级[/li][li]双有源全桥DC-DC级[/li][li]控制算法、调制方案和反馈[/li][li]用于SiC电源模块的门极驱动系统[/li][li]用于800V总线的辅助电源单元[/li][li]热管理[/li]

关于作者

                               
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Karol Rendek是安森美系统工程中心的应用经理。Karol于2020年加入安森美。此前9年，他在嵌入式系统、D类放大器、机车车辆控制和安全系统以及工业电动车充电器的开发中担任硬件工程师、系统工程师和项目经理。Karol持有布拉迪斯拉发的斯洛伐克科技大学微电子学硕士和博士学位。他在攻读博士期间花了三年时间专研氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)的低频噪声分析。

                               
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Stefan Kosterec是安森美系统工程中心的应用工程师。Stefan于2013年加入安森美。此前，他在西门子PSE工作了8年，担任ASIC/FPGA设计师，开发针对不同领域的数字解决方案，其中包括通信、电源转换和电机控制。他还在Vacuumschmelze担任过两年的电感元件设计师，并在艾默生能源系统公司担任过产品完整性工程师，负责电信电源系统的验证。Stefan持有斯洛伐克特尔纳瓦技术大学材料科学和技术学院的应用信息学硕士学位。

                               
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Dionisis Voglitsis是安森美的应用工程师。他负责电机控制和充电应用的控制算法和控制方案的开发和实施。在2019年加入安森美前，Dionisis曾担任多个欧洲和国家研究项目的研究员，同时他也曾加入飞利浦的先进技术中心。Dionisis是其领域内30多篇研究和技术论文的作者和共同作者，发表在高质量的期刊(IEEE Transactions和Journals)上，这些被200多份论文引用。他还是"Energies" MDPI期刊的客座编辑。他持有能源工程的工程学位，荷兰代尔夫特理工大学的无线电力传输硕士学位，以及希腊德谟克利特大学(DUTH)的电气工程博士学位。

                               
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Rachit Kumar是安森美系统工程中心的高级应用工程师。Rachit于2020年加入安森美。Rachit从事嵌入式软件开发超过10年，专注于电机控制算法。在加入安森美前，Rachit在Nanotec电子公司从事低功率BLDC和步进电机控制器的嵌入式系统开发。Rachit持有德国Ravensburg-Weingarten应用科学大学的机电一体化硕士学位。

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安森美的团队正在开发一种具有双向能力的25千瓦直流充电器

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