來源：富昌電子
作者：Tony Titre，富昌電子EMEA汽車業務拓展經理，David Woodcock，富昌電子卓越中心經理（電源）
當今的消費者對延遲幾乎沒有耐心：例如，Uber Eats 之類的智能手機應用程序已經讓用戶習慣在家中隨時點餐且在幾分鐘內收到。而現在，亞馬遜已經開始嘗試使用無人機，探尋在線下單后 30 分鐘內送貨上門的市場需求。
消費者可以隨時隨地擁有他們想要的任何東西的期望與當今電動汽車 (EV) 充電系統的運行效率不匹配。如果全電動汽車的電池深度放電，典型額定功率為 7kW 的家用充電器大約需要 5 至 8 小時才能為主流汽車（如雷諾佐伊或日產聆風等）的電池充滿電。
消費者可以隨時隨地擁有他們想要的任何東西的期望與當今電動汽車 (EV) 充電系統的運行效率不匹配。如果全電動汽車的電池深度放電，典型額定功率為 7kW 的家用充電器大約需要 5 至 8 小時才能為主流汽車（如雷諾佐伊或日產聆風等）的電池充滿電。
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圖1：目前大多數家用和街道電動汽車充電器僅限于7kW的最大功率輸出（圖片來源：Albert Lugosi，知識共享許可協議）
然而，迄今為止，在家用電動汽車充電器硬件上的開發工作很少。這主要是因為大多數歐洲家庭都采用單相市電電源，而電動汽車內的單相 AC-DC 車載充電器的最大功率約為 7kW。在當今低產量的情況下，簡單的 7kW 交流家用充電器的電路板設計可以用一些用于電源電路、控制器和存儲器的現成模塊化組件進行組裝。
為了達到一小時的充電時間基準，充電器制造商需要開發采用三相市電輸入運行、直接向電池提供高壓直流輸出的家用充電器（繞過汽車的車載 AC-DC 充電器），并且具有至少 22kW 的功率容量。高效率將是這些新型家用充電器的一個關鍵特性，以限制功率損耗成本，避免產生過多的廢熱，簡化系統熱管理。
這為行業和政策制定者提出了三個需要考慮的重要問題。
1. 升級電網基礎設施
雖然商業辦公大樓或公寓大樓等大型建筑可能采用高功率三相電源，但歐洲的大多數獨棟住宅都采用單相輸入。安裝家用三相電源的成本將相當可觀（每個家庭數百歐元）。這是購買新電動汽車的一大障礙。那么電動汽車制造商是否會補貼新車購買者家中升級電源的成本？ 二手電動車的購買者如何承擔安裝三相電源的費用？或者，政府或電力供應行業是否會承擔家庭升級到三相供電的成本？
容量問題也對大功率家用充電點的使用構成風險。如今，安裝在高速公路服務站的高速（50kW以上）公共充電點消耗的電力過多，無法由當地電網直接供應，而是從當地電池儲能中汲取電力。
不難想象，如果很多電動汽車車主在傍晚下班回家后同時插入22kW充電點，會導致當地電網變壓器過載。也可以想象，續航里程更長的電動汽車需要70kWh至100kWh的電池容量，將促使車主在家中安裝額定功率為50kW至100kW的超高功率充電點。這種超強充電器的運行可能需要在家中或當地電網基礎設施中準備電池備用電源。
2. 寬帶隙半導體元器件的可用性
在電池電壓為 200V 至 500V DC 且功率水平高達 22kW 的情況下將三相 240V AC 輸入轉換為 DC 輸出時，傳統硅開關（MOSFET 或 IGBT）以及二極管等功率元件的損耗是可觀的。
與等效的硅元器件的損耗相比，寬帶隙半導體技術的使用（使用碳化硅 SiC 或氮化鎵 GaN 材料）有望顯著降低開關損耗和傳導損耗。同樣重要的是，碳化硅和氮化鎵晶體管都支持比硅等效物高得多的開關頻率，這使得使用更小的磁性元件和電容器成為可能。在使用基于低速硅開關架構的高壓電源轉換器中，大型磁性元件可能占BOM總成本的一半。
因此，即使考慮到 SiC 或 GaN 元器件與其硅等效物相比更高的單位成本，磁性元件尺寸減小和成本降低也可以實現更低的系統總成本。
任何計劃進入大功率家用電動汽車充電器市場的制造商面臨的問題是，雖然 SiC 或 GaN 元器件的屬性非常有吸引力，供應正在增長，但受到限制。汽車制造商購買了這些元件的大部分市場容量，用于電動汽車的牽引動力系統。意法半導體、安森美半導體、Littelfuse 和 Microchip 等 SiC 元器件的供應商正在快速提高產量，當然供應最終會與需求平衡。同樣，制造商正在大力投資設施，以增加 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件的產量。但在短期內，在大功率充電點中使用寬帶隙半導體將需要對供應鏈進行仔細管理。SiC 和 GaN 元器件的短缺是富昌電子等擁有全球供應鏈的分銷商可以消除的問題。
3. 大功率系統設計專業知識的可用性
著眼于家用充電點市場的制造商面臨的第三個重要挑戰是整合使用 GaN 或 SiC 元器件實施復雜電源轉換架構所需的專業知識，而很少有經驗豐富的電源系統設計人員對此熟悉
充電點設計人員可能會使用兩種架構中的一種，具體取決于應用需求。充電器可能是單向的 — 也就是說，從電網向電動汽車電池供電，但絕不會反向供電。
三相單向充電點通常采用兩級架構，包括提供約 800V DC 輸出的 Vienna 整流器，和具有恒流/恒壓充電曲線、產生 200V-500V 范圍內的電池電壓的降壓 DC-DC 轉換器次級（見圖 2）。Microchip 為基于 SiC MOSFET 和二極管的 Vienna 整流器提供了出色的參考設計，可在額定功率高達 30kW 的電動汽車充電器中提供功率因數校正 (PFC)。MSCSICPFC/REF5 設計可在 20kW 的功率輸出下實現 98.5% 的效率 [1]。 FE-TAP1911EVCharger-Vienna-Rectifier-Fig-02.jpg
圖 2：Vienna 整流器的示意圖，它在典型的單向三相電動汽車充電器的 AC-DC 轉換器電路中實現了功率因數校正（圖片來源：Uwe Drofenik，知識共享許可協議）
然而，該應用可能需要雙向功能，即車輛電池既可以從電網吸收電力，也可以在需要時提供電力，以支持本地電網平衡方案。事實上，世界各地的電網運營商都熱衷于探索電動汽車通過在高需求時向電網“借出”電力、并在低需求時吸收電力以平滑一天中的電力波動的潛力。
雙向充電點可提供這種雙向的電力流動，但其架構比單向充電點更復雜。支持高效雙向轉換的拓撲結構非常適合使用 GaN 或 SiC 晶體管。正在開發的 GaN 技術未來將支持在高達 22kW 的功率水平下的運行。目前，用于雙向充電器拓撲結構的 SiC MOSFET 技術在商業化方面取得了進一步進展。
短期內，充電點制造商的商業重點將放在功率高達 22kW 的家用和街道使用的單向充電器上。Vienna 整流器實現了 PFC 級，而電動汽車充電器制造商正在進入高壓 DC-DC 轉換級的未知領域（見圖 3）。當然，這個 DC-DC 級將需要使用 SiC 元器件，因為它們具有快速開關能力（減小了磁性元件的尺寸），并具有較低的開關損耗和傳導損耗。
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圖 3：22kW 家用電動汽車充電器電路中的功能塊（圖片來源：意法半導體）
然而，目前對于最適用于這個級的拓撲結構還沒有達成共識：展示如何實現這種設計的文獻和參考設計很少。一些制造商正在使用包括雙有源橋在內的拓撲結構，因為它們提供了高效的操作。其他制造商正在努力調節諧振 DC-DC 拓撲結構，以提高效率。
鑒于目前缺乏標準方法，電動汽車充電器制造商將尋求第三方支持和指導，以將 SiC 元器件集成到高壓設計中。在這方面，富昌電子有兩個特別的優勢：第一，作為全球授權分銷商，其與意法半導體、安森美半導體和Microchip等 SiC 元器件供應商保持著密切的關系。這使其能夠深入了解這些公司提供的性能和可靠性數據，以及這些稀缺元器件的供應鏈。
其次，富昌電子位于英國倫敦的電源專家卓越中心在為客戶開發生產就緒型定制電源電路（用于超過 1kW 的具有挑戰性的應用）方面積累了獨特的專業知識。它在高效系統中實現寬帶隙半導體方面擁有豐富的經驗。這種專業知識可用于幫助充電器制造商將電動汽車電池所需的 200V-500V 級別的高效、隔離式 DC-DC 功率級推向市場。作為 CoE 成員的全球分銷商身份也意味著富昌電子創建的設計都基于可批量生產的商用元器件。
專業知識和元器件的可用性
因此，電動汽車充電器制造商正在研究如何實施以 22kW 及更高功率水平運行的新一代家用和街道充電器。正如本文所述，制造商應仔細研究 SiC 元器件的可用性，以及在隔離、高效 DC-DC 轉換器級中使用它們所需的專業知識。
還有更多的電網基礎設施問題也仍未解決，制造商需要盡力敦促電網運營商、監管機構和政府盡早解決這些問題。
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[1] Microchip MSCSICPFC/REF5 參考設計
