跟着电动汽车（EV）数量的添加，对创立愈加节能的充电基础设施体系的需求也在日益增长，如此便可更快地为车辆充电。与从前的电动汽车比较，新式电动汽车具有更高的行进路程和更大的电池容量，因而需求开发快速直流充电处理方案以满意快速充电要求。150 kW或200 kW的充电站约需求30分钟才干将电动汽车充电至80％，行进大约250 km。依据联合充电体系和Charge de Move规范， 快速DC充电站 可供给高达400 kW的功率。
今日，咱们将研讨驱动更快、更安全、更高效的充电器的半导体技能：
● 高压半导体开关（绝缘栅双极晶体管[IGBT]和碳化硅[SiC]）正在驱动体系中的总线电压（800 V或1,000 V）。跟着体系电压的升高，对阻隔技能的要求也不断进步，以保证全体安全性和牢靠性。
● 跟着功率转化器可以完成更快的开关频率（几百赫兹至几兆赫兹），在这些高频下作业会减小电路中运用的磁性组件和其他无源器材的尺度，然后下降体系本钱并进步全体功率密度。因而，需求高带宽电流和电压感测来准确地操控和维护数字功率级。
● 更高的功率要求运用多级杂乱功率级，反之又需求高压阻隔栅极驱动器来有用切换这些功率级并削减全体开关损耗，一起还包含增强的阻隔和短路维护功用。
让咱们更深化地研讨这些技能推进要素：
阻隔技能
安全合规性在EV充电器中至关重要，因为它们直接与共用电网衔接。为了保证操作员安全、维护处理器免受高压电源转化器体系的损坏以及避免接地回路和不同通讯子体系之间的电位差，阻隔是必不可少的。具有次级侧操控架构的功率操控器不只需在功率级（经过阻隔变压器）进行阻隔，还需在操控器驱动电路和相关的信号调理电路中进行阻隔。
由电源转化器的开关操作引起的噪声搅扰会对体系功用发生负面影响。例如，当电源转化器开关的瞬变发生时，高压摆率会在信号途径上引起瞬变电压，并发生共模电压瞬变，这需求具有高共模瞬变抗扰度（CMTI）的阻隔器来坚持信号完整性。
电动汽车充电站中直流母线电压的添加也显示出加强阻隔关于操作人员安全性和牢靠性的重要性。依据作业电压，可分为三种根本阻隔类别：功用阻隔、根本阻隔和加强阻隔。功用阻隔（也称为作业阻隔）不能维护或阻隔电击，但产品有必要具有此功用才干运转。根本阻隔是可供给根本防震维护的单层绝缘。增强阻隔是一种可供给相当于两层阻隔电击维护的单阻隔体系。
半导体可运用多种阻隔技能：
● 光学阻隔运用LED光线在通明的非导电绝缘层上传输，其主要长处是具有高电气阻隔值和低本钱。但光阻隔还具有较长的传达时刻、较低的抗噪性、较高的静态电流以及随温度和老化而敏捷劣化的绝缘功用。这些约束将光阻隔技能约束在对本钱灵敏的低速电源转化器上。
● 磁阻隔经过变压器线圈规划运用耦合电感传递信号，并在高频下供给高阻隔度。与光学技能比较，其具有更佳的传达时刻，但也具有较高电磁噪声的问题、较低的抗噪性以及随温度和湿度而导致的绝缘劣化。
● 电容阻隔运用改变的电场经过电容传输能量。该技能的优势在于它可以高速运转，且其封装相对较小。它具有较高的牢靠性，在整个温度范围内具有最佳的绝缘安稳性，以及较高的光耦的共模抑制比和低辐射。
图1所示为 电容阻隔 。德州仪器在其阻隔式栅极驱动器、放大器和数字阻隔器中运用了电容阻隔。
图1 电容阻隔
高带宽电流和电压感测
EV充电器运用将电流和电压感测用于三个主要功用：监督、维护和操控。在电动汽车充电器中，来自电网的能量转化一般分为两级。功率因数校对级将电网电压转化为安稳的直流母线电压。然后，DC/DC级将DC电压转化为合适EV电池组的电压。
图2所示为EV充电站的框图，其间电流检测方位标记为A，电压检测方位标记为V。
功率级中SiC和氮化镓（GaN）开关的运用日益添加，进步了作业频率（数百千赫兹至几兆赫兹），一起供给了更高的功率和更高的功率密度。这些功率级需求准确感测快速开关电流保证操控环路牢靠运转，然后保证转化器安稳运转。快速呼应时刻、整个温度范围内的线性运转以及准确的电流和电压感测关于一切具有高压级的高功率体系都至关重要。
电流检测的半导体技能可大致分为直接和直接感测办法。直接感测办法包含经过选用阻隔放大器或阻隔Σ-Δ转化器进行根据分流电阻器的检测。分流电阻上的压降一般为50 mV或250 mV（以将电流电阻损耗降至最低），构成该级的输入。
关于阻隔放大器，将缩放的低压信号发送到外部操控器，以在坚持电气阻隔的一起对高电压轨上的电流进行准确丈量。
阻隔式Σ-Δ转化器将分流器两头的压降直接调制为数字比特流，当直接与微操控器的Σ-Δ接口衔接时可完成更高的带宽。更高的信号带宽可保证快速、准确的电流丈量以及开关信号的准确表明，然后操控转化器的功率级。
与根据具有根本一次性校准的霍尔效应处理方案比较，选用根据分流器的传感是更优的，该办法可在温度范围内完成更高的直流精度。因为根据分流器的处理方案对外部磁场不灵敏，因而其精度更高，尤其是存在低电流时。根据分流器的处理方案在整个电压范围内都呈线性，尤其是在过零和磁芯饱满区域邻近。与霍尔效应传感器比较，该处理方案还供给了高达5 kV的增强阻隔，并减小了外形尺度。
直接办法触及感测载流导体周围的磁场。例如，霍尔效应传感器经过丈量导体周围发生的磁场来直接检测流过导体的电流。开环霍尔效应传感器的带宽高达1 MHz。闭环传感器的带宽为350 kHz，与开环霍尔效应传感器比较具有更佳的功用，但本钱也更高。
鉴于其超卓的带宽和呼应时刻，开环和闭环霍尔效应传感器可在短路条件下（尤其是在高频下进行切换时）为分流处理方案中的SiC开关供给更佳的维护。SiC开关的短路耐受时刻一般为1-3 µs，且需求快速检测以避免短路。与根据霍尔效应的处理方案比较，串联分流器两头的压降会导致散热和功率损耗，尤其是当丈量的电流添加时。
图2 电动汽车充电站框图
阻隔式栅极驱动器
高速栅极驱动器关于构建具有高功率、高功率密度且牢靠和安定的电源模块至关重要。栅极驱动器在操控器上的脉宽调制器和大功率开关之间进行衔接。根据大功率SiC/IGBT的功率模块要求栅极驱动器具有以极高的速度发生和吸收峰值电流的才能，以最大程度地缩短了导通和关断的过渡时刻，然后将开关损耗降至最低。栅极驱动器有必要：
● 灵敏运用具有宽操作电压和不同类型电源开关的同一驱动器。
● 可在喧闹的环境和极点温度条件下运转。
● 具有最小的导通传达推迟，可完成场效应晶体管（FET）的更快切换，使体二极管的导通时刻最小化，然后进步功率。
● 具有杰出的推迟匹配，以保证以最小的导通推迟差驱动并联的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
关于高电压运用，增强型阻隔式栅极驱动器可进步体系抵挡电涌（CMTI）、由电势差引起的走漏电流以及其他或许损坏体系反常事情的才能。
根据操控器的方位，操控器和驱动器之间或许需求阻隔。传统的阻隔办法是运用非阻隔栅极驱动器和分立的变压器完成阻隔。集成式阻隔栅极驱动器的传达推迟与分立式变压器处理方案类似或更佳，并且占用的面积削减了50％。此外，集成时的阻隔栅极驱动器以供给大于100 V/ns的CMTI，该数字显着高于分立处理方案所能到达的数字。CMTI是决议栅极驱动器鲁棒性的要害参数。
为了使转化器牢靠运转，需求栅极驱动器中的维护功用。因为具有进步功率密度和功率的长处，SiC和GaN已成为各类运用中硅IGBT的潜在替代品。SiC MOSFET具有更严厉的短路维护要求；与IGBT约10 µs比较，短路耐受时刻为1-3 µs。集成到栅极驱动器的DESAT管脚关于在检测短路时供给快速呼应至关重要。集成的欠压确定和有源Miller钳位关于避免半桥运用中FET的误导通也至关重要。
对具有天然对流冷却功用的便携式直流快速充电器（可轻松拿起并存放在EV行李箱的反面）的需求正推进规划具有最新功率密度和功率的EV充电器的开展。 具有集成栅极驱动器的根据GaN的开关 可供给导通电阻、快速开关和低输出%&&&&&%，然后有助于功率密度进步多达三分之一的EV充电器的规划。EV充电器中常用的谐振架构也将从零电压和零电流开关中获益，这些开关可减轻开关损耗并进步全体体系功率。
Jayanth Rangaraju现在担任德州仪器（TI）的体系司理，致力于可再生能源。在此职位，他的团队担任运用TI的产品组合来运用体系处理方案和专业知识来处理工程问题。在德州仪器的13年中，Jayanth担任过各种职务，包含规划工程师、运用程序和体系司理以及商场司理。他取得了德克萨斯大学阿灵顿分校电气工程硕士学位。他于2015年结业于德克萨斯大学奥斯汀分校麦考姆斯商学院，取得工商管理硕士学位。
Harish Ramakrishnan现在担任德州仪器（TI）的体系工程师，致力于可再生能源。他担任运用TI的体系处理方案和专业知识处理客户的规划应战。这是他上任于TI的第二年，他在通用电气、斯伦贝谢和L＆T的电力电子和电机操控范畴具有5年的职业经历。Harish于2014年在得州农工大学学院站取得了电气工程硕士学位。
定论
在电动汽车充电站中运用的电源转化器中，高功率密度、牢靠性和鲁棒性变得越来越重要。跟着功率和电压水平的进步，维护人员和设备免受风险操作条件的影响至关重要。
方针于高功率密度和高功率充电器的制造商将选用根据IGBT、SiC和GaN的功率转化器，其开关频率从几百赫兹到几兆赫兹不等。高频电流和电压传感器关于这些渠道的开发至关重要。
智能栅极驱动器技能将完成必要的高电压电平、快速开关速度以及快速维护的需求。鉴于曩昔十年来半导体技能的飞跃开展，在时间短的休息时刻里将EV充满电将很快完成。
