直流快速充电器组件选择：匹配开关、保护和功率转换要求

组件选择始于充电器的电气架构。

直流快速充电器包含多个电气级，而不是单个电源电路。

根据充电器设计，电路路径可能包括：

交流输入 → 整流/功率因数校正 → 直流链路 → 直流-直流转换 → 输出开关 → 车辆电池

围绕这条主电源路径分布着辅助电源、控制电路、通信接口、传感电路和保护功能。

每个部分对组成部分的要求都不同。

例如，PFC级中的功率半导体器件与辅助电路中使用的继电器，其评估方式就不同。直流母线电容器的要求也与输出连接器或电流传感器不同。

因此，从每个电路的功能而不是一般的产品类别入手来选择元件会更有用。

功率半导体：器件与开关级的匹配

功率半导体是直流快速充电器中最关键的组件之一。

根据拓扑结构和功率等级，充电器可以使用IGBT、硅MOSFET、SiC MOSFET、二极管或集成功率模块。

由于碳化硅（SiC）器件的开关和导电特性能够支持更高的效率和功率密度，因此它们在高功率充电领域的应用日益广泛。目前，业界参考设计已涵盖基于SiC的功率因数校正（PFC）电路和用于直流快速充电的直流-直流转换级。

但仅仅因为充电器是“高功率”就选择 SiC 设备是不够的。

工程师通常需要评估：

• 阻断电压
• 连续电流和峰值电流
• 开关频率
• 传导损失
• 开关损耗
• 闸门驱动要求
• 热阻
• 短路能力
• 封装和安装要求

选择合适的器件取决于具体的开关拓扑结构和工作点。

为高频直流-直流电路选择的设备可能不是充电器其他部分的最佳选择。

直流母线电容器：电应力至关重要

直流母线电容器位于主要转换级之间，有助于稳定中间直流母线。

它的选择不仅仅取决于电容。

重要参数可能包括：

• 额定电压
• 纹波电流
• ESR
• 温度等级
• 寿命
• 电容容差
• 机械尺寸
• 安装方法

高纹波电流会产生额外的内部发热，而升高的工作温度会影响电容器的寿命。

对于功率密度不断提高的紧凑型高功率充电模块而言，这一点尤为重要。

即使电容器的标称电压合适，如果其纹波电流能力或热寿命与实际工作条件不匹配，则仍然可能不适用。

电感器和磁性元件：超越电感

电感器用于充电系统的多个部分，包括功率因数校正 (PFC)、滤波和直流-直流转换。

标称电感值只是选择过程的一部分。

工程师可能还需要考虑：

• 饱和电流
• 均方根电流
• 核心损失
• 铜损耗
• 开关频率
• 气温升高
• 直流电阻
• 机械尺寸

随着开关频率和功率密度的增加，磁损耗和热行为变得越来越重要。

这也是为什么应该将无源元件与选定的开关器件一起进行评估，而不是将其视为独立部件的原因。

开关和保护元件需要不同的选择标准

直流快速充电器需要可控开关和故障保护。

这些功能相关，但不能互换。

开关装置可用于在正常运行期间连接或断开电路，而熔断器或其他保护装置可用于中断异常电流情况。

对于直流开关元件，工程师可能需要评估：

• 系统电压
• 连续电流
• 开关电流
• 负载特性
• 涌流条件
• 开关频率
• 电气耐久性
• 隔离要求
• 环境条件

对于防护组件，评估可能侧重于：

• 额定电压
• 额定电流
• 中断能力
• 可用故障电流
• 预电弧特性
• 与下游组件的协调
• 安装温度

因此，相同的额定电流并不意味着两个元件可以互换。

电流和电压传感支持控制系统

快速充电器依靠测量来控制功率转换和监控运行状况。

电流和电压传感器可以提供以下反馈信息：

• 功率转换控制
• 产出调节
• 过电流检测
• 故障监测
• 能量测量
• 与充电控制器通信

传感器选择应考虑实际测量范围、精度、响应时间、隔离要求和工作环境。

对于大功率直流系统，传感器还必须与电流路径的物理和电气布置相匹配。

即使某个组件在纸面上具有良好的测量精度，但如果其安装方法、绝缘或热性能与充电器设计不匹配，仍然可能会造成集成问题。

隔离和控制组件是电力系统的一部分

功率级只是直流快速充电器的一部分。

控制板需要在保持所需电气隔离的同时，与电源设备进行通信。

根据架构的不同，系统可能包含：

• 隔离式门驱动器
• 数字隔离器
• 光耦合器
• 接力赛
• 信号调理装置
• 接口集成电路
• 微控制器
• 通信组件

这些元件虽然不能承载数百安培的电流，但它们的可靠性直接影响大功率电路的控制。

随着开关器件速度的提高，栅极驱动时序、隔离性能和信号完整性也变得更加重要。

辅助电源不容忽视

直流快速充电器还包含许多在主电源路径之外运行的电路。

辅助电源可提供：

• 控制板
• 冷却系统
• 接触器和继电器
• 通信模块
• 显示器
• 传感器
• 保护电路

这些电路通常在较低的电压下工作，但当主充电器切换大量功率时，它们需要保持稳定。

因此，元件选择可能涉及功率集成电路、MOSFET、变压器、二极管、电容器、连接器和保护元件。

在这一点上，拥有广泛的电子元件供应能力会很有用：设计不一定需要来自同一供应商的单一类型的元件。

热设计变更组件选择

能量损耗最终会转化为热量。

这使得热条件成为充电器选择的重要参数。

冷却方法可能包括：

• 强制风冷
• 冷板
• 液冷
• 散热器
• 一体化冷却结构

需要将元件的热性能与其电气工作点结合起来进行评估。

例如，降低半导体损耗可以降低冷却需求，但更高的开关频率可能会在系统的其他部位引入不同的损耗。

这同样适用于电容器、电感器、连接器和开关元件。

因此，选择元件时应考虑整个散热路径，而不仅仅是元件的额定温度。

实用选择顺序

对于充电器制造商而言，一个有效的选型过程可以从系统要求入手，然后逐步转向各个组件。

这种顺序有助于避免在明确整个充电器的电气要求之前选择各个部件。

为什么元件选择应遵循电路功能

直流快速充电器可能包含成百上千个电子元件，但并非所有元件都承受相同的电压力。

功率半导体存在开关损耗。

电容器会承受电压和纹波电流应力。

电感器会受到磁应力和热应力的影响。

接触器或继电器需满足切换和耐久性要求。

该传感器满足测量和隔离要求。

控制器和接口设备面临的信号和通信条件完全不同。

将所有这些组件视为一个单一的“电动汽车充电器组件”类别，会使选择变得不必要地困难。

更好的方法是映射电路功能→电气条件→热条件→可靠性要求→元件参数。

这种方法也使供应商评估更有意义，因为工程师可以根据实际应用而不是一般的产品描述来比较组件。

构建直流快速充电器所需的合适组件

充电器所需的组件组合取决于其架构、功率等级和目标应用。

乘用车直流充电器、大功率商用充电系统和兆瓦级充电平台可能使用不同的功率器件、开关元件、磁性元件、传感器和控制电子设备的组合。

关键在于元件的选择应该随着电气设计的演变而发展。

对于充电器制造商和工程团队而言，这也能简化采购流程。他们无需逐个寻找孤立的组件，而是可以审查整个电气架构，从而在电源转换、保护、传感、控制和辅助电路等各个环节找到合适的选项。

ESHINE 为电动汽车充电、电力电子和其他高功率应用提供电子元件采购和技术选择支持，元件选项与实际电路要求相匹配。