有數據顯示，2019年全球新能源乘用車銷量為221萬輛，預計到2025年，這個數據將達到1150萬輛，年均復合增長率為32%。在中國，2013年全國新能源汽車銷量近1.76萬輛，而2020年則達到了136.7萬輛，7年時間增長了70倍。按照中國《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，到2025年新能源新車銷量將占到新車總銷量的20%，而到2030年這個比例要達到40%。

在新能源車中，純電動汽車占據著相當大的比例，為了支撐這一高速增長的市場，配套基礎設施的建設當然不能拖后腿。如何讓電動汽車的充電，能夠像人們習以為常的內燃機汽車加注燃油那么方便、快捷，也就成了整個新能源車行業心心念的一個話題。

充電樁的架構和分類

想解決這個難題，就先得搞明白電動汽車是如何充電的。大家都知道，充電汽車通常是通過充電樁或充電站進行充電的，這種充電基礎設施也被稱為電動車輛服務設備（EVSE）。充電的方式可以分成兩種類型：交流充電和直流充電。 交流充電是將電網中的交流電連接到車輛內部的車載充電器（OBC），由OBC將交流電通過內置的AC/DC和DC/DC電路轉換為高壓直流電，為車輛動力電池包充電。而直流充電則需要在充電樁內完成對電網中交流電的AC/DC和DC/DC功率轉換，然后繞過（Bypass）車輛內部的OBC直接連接到電池進行充電，由于這些轉換器無需安裝在車輛內部，因此可以設計成高功率電平，從而實現更快速地充電。

這兩類充電方式根據充電功率的大小，又被分為三級，級別越高意味著充電功率越大，充電速度越快。具體來講：

1第1級：通常是指從民用住宅中取電的交流充電，供電電壓為120VAC/230VAC，充電電流在12A至16A，充滿一個24kWH的電池大概需要12-17小時。 2第2級：主要的應用場景是通過布設在商業設施中（如購物中心）的交流充電樁，以多相240VAC的交流電進行充電，充電電流可達15A至80A，充滿一個24kWH的電池需要8個小時左右。 3第3級：與前兩級的交流充電不同，第3級EVSE使用的是直流充電，這種方案可以從直流充電樁直接輸出300V至750V的高壓直流電，以高達400A的電流向車載動力電池充電，由于充電功率大幅提升，所以充滿24kWH容量的電池用不到30分鐘，這也就是大家津津樂道的所謂電動汽車“快充”技術。

圖2：EVSE三種充電等級之間的比較（圖源：TI）

今天，圍繞著如何實現更快速地充電，如何改善電動汽車用戶的體驗，人們正在不斷探索各種技術路徑，在其中三級快速直流充電樁的設計就是其中的一個焦點。

快速直流充電的關鍵

那么設計開發一個快充直流充電樁，需要哪些關鍵技術呢？我們一起來梳理一下。

圖4：典型的三相交流輸入直流充電樁拓撲（圖源：TI）

圖4是一個典型的三相交流輸入的直流充電樁拓撲結構，其中我們可以看到幾個關鍵的部分。 首先是功率轉換部分，其中包括將電網交流電轉換為直流電的三相PFC功率級，以及下游的DC/DC轉換模塊，以獲得電池充電所需的高壓直流電。高電壓和高能效是對功率轉換電路的核心訴求。為了實現這兩個目標，就需要為功率級選擇合適的拓撲結構和元器件，因此兼具高效率和高壓特性的碳化硅（SiC）MOSFET被越來越多地采用，它們效率高，且能夠支持轉換器在更高電壓下工作，這樣一方面可以確保更高的充電功率，另一方面在相同功率下可以減少所需電流量，以使用更少的銅線纜，從而實現更高的功率密度。 其次，在圖4中我們還可以看到，為了對兩個功率級進行精確的控制，還需要有相應的MCU。為了提升系統整體的效率和性能，在直流充電樁的設計時會引入一些創新的電源拓撲，比如在PFC功率級中采用的Vienna整流器架構，而這些架構需要具有更高性能的實時MCU來提供快速且精確的感應、減小延遲的專業化處理、精確的可配置驅動等特性。

再有，在MCU和功率級電路之間，還需要柵極驅動器與IGBT、SiC MOSFET等功率器件配合使用。而在直流充電樁這樣的直流高壓系統中，高質量增強隔離必不可少，因此隔離式柵極驅動器就成了標配，它們可以提供基本隔離、功能隔離和增強型隔離，防止任何危險的直流電或不受控制的瞬態電流從電網中流出，同時通過來自MCU的低功率輸入，為 IGBT、SiC MOSFET等電源開關生成合適的高電流柵極驅動。 此外，我們還可以看到，在直流充電樁系統中，還需要一些輔助電源、通信接口和控制、HMI人機交互等方面的技術。所有這些技術有機整合在一起，才能夠完成一個完整的系統開發，這并不是一件簡單的工作。

TI的產品和方案

Texas Instruments (TI) 一直致力于為EVSE客戶提供先進的技術和方案支持，特別是能夠符合第3級高功率充電樁設計規范要求的整體解決方案。為此，TI在多個產品線上也在加速迭代，以提供更適合快速充電樁要求的產品。

比如在功率級的數字控制方面，TI的C2000實時控制器就是一個非常合適的方案，該高性能微控制器產品系列，專門用于控制電力電子產品，提供超短的延遲、精密感應、強大的處理和高級驅動，以實現高效的電源控制。 TMS320F28004x就是C2000實時控制器家族中非常適合充電樁應用的產品，它將關鍵的控制外設、不同的模擬和非易失性內存集成在單個器件上，實時控制子系統基于TI 32位C28x CPU，該CPU可提供100MHz的信號處理性能。全新TMU擴展指令集進一步提升了C28x CPU的性能，可快速執行三角運算的算法（轉換和扭矩環路計算中常見），以及VCU-I擴展指令集（減少編碼應用中常見的復雜數學運算的延遲）。

TMS320F28004x MCU上還集成有高性能模擬塊，進一步提升了系統整合度：三個獨立12位ADC可準確、高效地管理多個模擬信號，從而最終提高系統吞吐量；模擬前端上的七個PGA可以在轉換之前實現片上電壓調節；七個模擬比較器模塊可以針對跳閘情況對輸入電壓電平進行持續監控。 C2000還提供了可配置邏輯塊 (CLB)，基于CLB 可以擴充C2000外設并實施自定義邏輯，無需外部的FPGA、CPLD或邏輯部件就可以將關鍵功能集成到單個C2000 MCU 中。這種獨特的“MCU+CPLD”架構，可為客戶的保護功能設計提供完美支持。 值得一提的是，C2000系列已經形成了非常豐富的產品組合，可以為開發者探索不同的電源拓撲架構控制提供極大的靈活性和可擴展性，這對于不斷發展的快充充電樁應用大有裨益。

在隔離式柵極驅動器方面，TI的UCC23513值得關注，這是一款光電兼容、單通道、隔離式柵極驅動器，適用于IGBT、MOSFET和SiC MOSFET。該器件的拉灌峰值輸出電流分別為4.5A和5.3A，額定增強隔離值達5.7KVRMS，電源電壓范圍高達33V，可驅動低側和高側功率FET。 UCC23513輸入級是一個模擬二極管（ediode），這意味著與傳統LED相比，其可靠性更持久，耐老化性能也更出色。該器件的其他性能還包括高共模瞬態抗擾度（CMTI）、低傳播延遲和較小脈沖寬度失真，以及嚴格的工藝控制下較小的部件間性能偏移。可以說，與基于標準光耦合器的柵極驅動器相比，其關鍵功能和特性以及可靠性都有顯著提升，特別是該器件的工作溫度較高，因此能夠用于傳統光電耦合器不支持的應用。

在直流充電樁整體解決方案中，另一個值得推薦的TI產品是ISO672xB/ISO672xB-Q1數字隔離器，這是一個高性能雙通道數字隔離器，可提供符合UL 1577的3000VRMS隔離額定值，還通過了VDE、TUV、CSA和CQC認證。 該器件每條隔離通道的邏輯輸入和輸出緩沖器均由TI的雙電容二氧化硅（SiO2）絕緣柵相隔離。在隔離CMOS或LVCMOS數字I/O的同時，ISO672xB可提供高電磁抗擾度和低輻射，同時具備低功耗特性。這些器件與隔離式電源結合使用，有助于防止UART、SPI、RS-485、RS-232和CAN等數據總線損壞敏感電路，增強的電磁兼容性可緩解系統級ESD、EFT和浪涌問題并符合輻射標準要求。

最后，還有一個TI新近推出的隔離接口產品很值得推薦——ISO1042是一款符合ISO11898-2 (2016) 標準規格的電隔離CAN收發器，與隔離式電源一起使用，可提供高壓保護并防止總線的噪聲電流進入本地接地。該器件具有±70VDC總線故障保護功能和±30V共模電壓范圍，在CAN FD模式下最高支持5Mbps數據速率。由于采用了SiO2絕緣隔柵，ISO1042可承受5000VRMS的電壓，工作電壓為1060VRMS。由于該器件的電磁兼容特性得到了顯著增強，可確保提供系統級ESD、EFT和浪涌保護并符合輻射標準。

本文小結

隨著電動汽車市場的發展，充電基礎設施的建設也會加快步伐，在中國推出的“新基建”藍圖中，充電樁就是七大核心領域之一，其重要性和戰略意義由此可見一斑。而充電樁的開發，特別是具有快充特性的直流充電樁的開發，不僅需要有深厚的技術積累，還需要跟得上技術產品快速迭代升級的步伐，是個不小的挑戰。TI提供的豐富的產品組合和直流充電樁整體解決方案，無疑會為加速這個開發進程提供助力。

原文標題：電動汽車充電難，這道難題如何解？TI的答案是……

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責任編輯：haq