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推荐 | 应对新基建建设风的大功率高效充电解决方案

2020-06-08 20:07:38

“两新一重”建设中,充电桩与5G应用等多项重点基础设施建设项目一起被作为加强新型基础设施建设,发展新一代信息网络,激发新消费需求、助力产业升级的关键产业布局。政府工作报告为充电桩产业的快速、高质量发展吹响了集结号,为达成“车桩相随、智能高效”的充电基础设施体系规划目标加注了强大动能。

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充电基础设施依然是新能源汽车产业链主要短板。年初的新基建计划和新的两会政府工作报告中,都特别将建设充电桩作为助力产业升级的关键内容之一。随着政府和社会的积极产业部署,充电桩基础设施的完备将有望彻底解决严重制约电动汽车市场的‘里程焦虑’。关注:电动汽车模拟装置

作为为电动汽车电池系统管理提供了广泛解决方案的企业,ADI同样提供了业内领 先的充电桩电力计量、直流变换模块、充电控制器等主要功能模块解决方案。

新基建为电动汽车普及加速,大功率充电桩解除关键掣肘

《2019北京市新能源汽车充电行为报告》显示:用户单笔平均充电量22.15kWh,单笔使用公共快充桩充电时长1.32小时,公共慢充桩充电时长5.09小时(不包括排队时间)。值得注意的是,根据合格证数据统计,我国新增纯电动汽车单车带电量从2015年1月的22.2kWh提升到2020年1月的48.3kWh,22.15kWh只能补充纯电动乘用车50%-80%的电量,大功率直流充电桩建设势在必行。如果纯电动车要解锁如同燃油车一般的‘快速回血’技能,就必须借助更大功率的充电桩。但功率提高带来的问题是充电桩尺寸增大、热管理等问题,要兼顾充电桩尺寸、效率和功率,提高功率器件的开关频率非常关键。

半导体技术的进步让功率MOSFET器件开关频率得到快速有效提升,IGBT从过去的20k左右提升到现在40k到50k,而氮化镓(GaN)和碳化硅(SIC)MOSFET器件可以达到更高的开关频率。驱动方式是达到这些开关器件所能支持的开关频率的关键,而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高,采用的栅极驱动器的传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率发挥着关键的影响。

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解锁大功率直流充电,隔离式栅极驱动器是关键

为了操作MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极,使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸,正确选择这类解决方案非常关键。与传统的基于光学隔离式栅极驱动器相比,ADI提供的iCoupler隔离式栅极驱动器提供了良好的栅极驱动特性和隔离性能。

传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(150—200纳秒),而iCoupler隔离式栅极驱动器传输延时在50—60个纳秒左右,从而大降低减小了传输延迟,并且传输延时一致性更好,更低的传输延迟和延时一致性对于提高开关频率和效率具有重要作用。此外,隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一,iCoupler隔离式栅极驱动器更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说,即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。

以ADI新的ADuM4136为例分析iCoupler隔离式栅极驱动器的特性:可实现150kV/µs的共模瞬变抗扰度(CMTI),以数百kHz的开关频率驱动SiCMOSFET;加上去饱和保护等快速故障管理功能,设计人员可以正确驱动高达1200V的单个或并联SiCMOSFET。iCoupler磁隔离的固有优势使得这些特性明显优于光隔离栅极驱动器,可以确保充电机在不牺牲效率的情况下,在功率变换器中实现超高的功率密度。

此外,从功能安全和用户人生和财产安全来说,良好的隔离性能也非常关键。《2019新能源汽车消费市场研究报告》披露,20.65%的公共充电桩发生故障。此外,央视曾经报道指出9家企业的10个批次的充电桩产品中,7批次不符合国标要求,风险监测发现样品四个项目不符合国标要求,容易起火或导致触电。因此,充电机功能电路中的隔离式栅极驱动器发挥的隔离功能非常关键,实现充电模块中功能电路之间的电气分离,使得它们之间不存在直接导通路径,从而提升安全性能。

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