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TI:選對拓樸結構與元件是實現電動車快速充電的第一步
 

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

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隨著電動車(EV)數量更多,也反映出對高能源效率的充電基礎設施系統更高的建置需求。德州儀器Harish Ramakrishnan指出,簡單來說,這些充電系統要能實現車輛的快速充電,且因為新型電動車的續航里程更長、電池容量擴大,加速開發直流充電解決方案也成為必需。

使用碳化矽增加充電站功率密度的優勢(source:TI)
使用碳化矽增加充電站功率密度的優勢(source:TI)

然而,目前一座150kW的充電站約需30分鐘才能充飽電動車來行駛250km。而直流電充電站,根據Combined Charging System(CCS)及CHArge de MOve(CHAdeMO)的標準,可傳輸的電力為120kW至240kW,屬於第三級(Level 3)充電設施。因此,若要設計一個單一的功率調節單元(power processing unit)來處理如此龐大的電力需求,就需要複雜且難以控制的多層拓樸結構。

Harish Ramakrishnan直指,在功率級選取適當的拓樸結構和元件是增加功率密度的第一步。

他表示,碳化矽(SiC)等寬頻隙裝置,在阻斷高直流鏈電壓(DC link voltage)方面,比矽絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)更具優勢,因此能在更高的電壓下運作,並減少功率轉換所需的電流—而減少電流,就代表減少銅用量,因而增加功率密度。

採用碳化矽的MOSFET,也能藉由將直流鏈電壓調至1,000V或1,500V,達到高功率密度。

德州儀器「三相三階碳化矽交流轉直流轉換器參考設計」舉例,三階T型轉換器的開關只需阻斷一半的直流鏈電壓,就能選擇像ISO5852S的低成本、低電壓阻斷裝置,而LMG3410R070也能用在逆變器的T型分支中。

但是要轉換至更高的直流電壓,就需要高品質的強化型隔離技術。Harish Ramakrishnan適時提及德州儀器的電容式隔離技術,其不僅包含閘極驅動器UCC21530、ISO5852、UCC21750,還能提供高達5.7kVrms的強化隔離,讓裝置可與碳化矽和IGBT相容。

Harish Ramakrishnan強調,在設計高功率轉換器—尤其是高於10kW時,使用多層級的拓樸結構至關重要,如此不僅可以減輕電壓在裝置上的負載,還能確保總諧波失真在可接受範圍內。

德州儀器「三相三階碳化矽交流轉直流轉換器參考設計」亦指出,選對拓樸結構,在轉換器的雙向操作中也非常重要,尤其是在車輛到電網(vehicle-to-grid)的應用中。

此外,開關頻率也會直接影響磁性和其他被動元件的尺寸。當提高開關頻率時,電感和變壓器的尺寸呈現線型下降,德州儀器指出,SiC裝置具有較高的導通電阻及開關特性,能將總損失最小化,而提升效率就能提升散熱性能,隨著元件所產生的熱能降低,SiC MOSFET也能用更高的開關頻率來提升功率密度。

針對新型充電站直流電解決方案的設計開發,Harish Ramakrishnan指出可以利用並聯的模組化電源轉換器來提升功率輸出,滿足快速充電需求;但他也解釋,由於直流電充電站相當佔空間,電源轉換器就需採用模組化設計,並最佳化高效率與高功率密度。

他最後補充,充電站的系統架構中有兩條充電路徑:第一條直接連結車內車載充電器(onboard charger;OBC),具有交流-直流和直流-直流轉換單元,一般可承受6.6kW,在家用與商用中可在8~17小時內完成充電;第二條則採用獨立的實體充電站,含有交流-直流和直流-直流功率調節單元,在車外作為電網和電池的介面。

他表示,採用第二條充電路徑的轉換器會跳過OBC,直接連到電池,因為不在車內,所以可用於更高功率的設計,進一步加速充電。

德州儀器擁有高品質的產品和專業的系統性解決方案,可協助克服EV快速充電的挑戰。其「三相三階碳化矽交流轉直流轉換器參考設計」以及「雙向雙主動橋式參考設計:Level 3電動車充電站」中的雙向轉換器,效率皆高於97%,且功率密度約為1.4kW/L(交流-直流)、1.9kW/L(直流-直流)。不僅展示了如何使用德州儀器的閘極驅動器與感測技術,來驅動功率級的SiC MOSFET,同時也測量電壓與電流,幫助設計人員打造高效率、高功率密度且高速的電動車充電站。

關鍵字: 電動車  快速充電  SiC  TI(德州儀器, 德儀
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