25kW?SiC直流快充設計指南?（第七部分）：800V?EV充電系統的輔助電源

在本系列的前幾篇文章中^[1-6]，我們介紹了基于onsemi的SiC功率模塊和其他功率器件開發的25kW EV快充系統，包括這個可擴展系統的整體架構和規格，以及其中PFC和DC-DC變換部分的硬件設計和控制策略。我們基本已經把電路設計部分講完了，除了輔助電源設計的相關內容。O1Zednc

輔助電源一般由直流母線供電，用于支持各種控制器、驅動、通信器件、傳感器等工作電壓。根據車廠對電池的選擇，額定電壓通常是400V或800V。雖然400V電池仍然占領目前的EV市場，但更高電壓的電池將成為未來的趨勢。O1Zednc

現在，用800V電池替換400V電池，這對系統效率的提高是非常有幫助的。更大的母線電壓意味著PFC電路的電流更小，從而可以使用更低電流規格要求的SiC MOSFET，有助于通過提高功率密度和減少系統尺寸來提高整體效率。O1Zednc

除此之外，800V電池也有自己的優勢，比如高壓低電流的快充。舉個例子，一般充滿一個60kWh容量的電池，400V/150A的功率下充滿需要1小時，而800V/100A的條件下只需要45分鐘。降低工作電流能夠減小電感尺寸（更細的線徑）并解決散熱問題，所以我們說800V方案是EV充電站的大趨勢。O1Zednc

考慮到這些，25kW快充系統設計中的輔助電源是直接連接在800V母線上的，這種情況下，在系統啟動時，輔助電源系統將工作在240V-900V區間。由于PFC電路是交流400V輸入，母線電容通過SiC MOSFET的體二極管進行充電，所以實際母線電壓會達到約560V。當母線電壓達到240V時，輔助電源系統就會開始工作。O1Zednc

本篇將介紹25kW快充系統中的輔助電源設計。它基于onsemi針對800V母線電壓的EV應用所做的一個輔助電源參考設計方案，即SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB，它能提供15V/40W的持續輸出供電。類似的方案還有SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB，它能提供15V/15W的持續輸出。O1Zednc

輔助電源的設計

onsemi目前推出過的2套高壓輔助電源方案，適用于800V和400V電池的BEV（純電電動車）和PHEV（插混電動車），能提供15W或40W的輸出功率。盡管這2套方是針對汽車應用的，但它們也能滿足具有類似高壓直流母線的應用，比如直流快充。這種情況下，我們可以使用非車規器件，從而減少BOM成本。O1Zednc

（40W輸出）和SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB（15W輸出）是適用于800V和400V車載電池的高效高壓輔助電源方案。它們擁有足夠寬的工作電壓范圍240V-900V，可以工作在400V和800V系統，同時穩定提供一個15V/15W或15V/40W的輸出。圖1可以看到SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在25kW快充系統里的位置。O1Zednc

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圖1. 25kW直流快充系統框圖O1Zednc

輔助電源系統基于反激式（Flyback）拓撲，使用一顆原邊反饋（Primary Side Regulated）準諧振（Quasi-Resonant）反激式控制器。原邊反饋控制器的一個最大優點是它不需要光耦，這大大提高了電源的可靠性。O1Zednc

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圖2. 輔助電源框圖O1Zednc

方案主要包括QR反激控制器NCP1632、1200V, 160mΩ, TO247-3L的SiC MOSFET NTHL160N120SC1和SiC二極管FFSPF1065A。NTHL160N120SC1的柵極電容僅有34nC，有利于減少電壓突變和開關損耗，也有利于提高反激電路和輔助電源的整體效率。O1Zednc

NCP1362用于提供驅動SiC MOSFET的12V柵極電壓，無需額外的預驅，簡化了整體電源設計。NCP1362的驅動電壓是0V-12V，足以開啟SiC MOSFET，沒有必要達到MOSFET的最大V_gs值。一顆5kW, 160V的TVS二極管用于為NTHL160N120SC1提供鉗位保護。不使用驅動器帶來了許多好處，比如：O1Zednc

• 減少器件成本
• 簡化BOM（驅動器和相關被動器件）
• 更少器件和更少寄生效應帶來的更高的穩定性
• 更高效率
• 簡化Layout

直流充電模塊的設計遵循IEC61851-1標準，反激變壓器也符合IEC61558-1標準，其中對1000V的工作電壓時的耐壓要求是2.75kVrms，而我們設計中的反激變壓器具有4kV的耐壓水平，并且為了減少RCD吸收電路的損耗進行了優化。RCD電路有助于限制高壓條件下的過壓、電壓突變振蕩，并且能為SiC MOSFET提供一個100V的電壓裕度。O1Zednc

圖3顯示了負載功率在10%-100%下的瞬態響應，圖4則體現了500V DC輸入下負載在100%-10%的瞬態波形?？梢钥吹皆陔妷恨D換時沒有發現任何振蕩，這體現了其高度穩定性。O1Zednc

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圖3. 10%-100%功率下的負載瞬態波形@500VO1Zednc

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圖4. 100%-10%功率下的負載瞬態波形@500VO1Zednc

具有高輸出功率，它被用在25kW直流充電系統的3個部分。第一個是在PFC部分用于為SECO-LVDCDC3064-SIC-GEVB供電，它作為驅動SiC 功率模塊的柵極驅動器的隔離電源，提供穩定的電壓（-5V和20V），如圖5，用于在寬輸入電壓范圍內的高效開斷。O1Zednc

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圖5. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在PFC中的使用O1Zednc

從圖1我們可以看到 剩下兩個輔助電源系統被用于25kW系統的DC-DC部分，一個連接至直流母線，另一個連接到變壓器副邊輸出端如圖6。我們沒有在設計中采用高壓機械開關或繼電器，而是通過通用控制板（SECO-TE0716-GEVB）根據當前DC-DC工作方向來決定使用哪個輔助電源模塊。O1Zednc

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圖6. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB在雙向DC-DC中的使用O1Zednc

結論

800V電池和其電路系統是非常理想的，因為它們能提高系統效率并且減少電池充電時間。不過，盡管800V的母線電壓能夠降低回路電流，但設計一套高效的、適合800V系統的輔助電源仍然充滿挑戰。本篇文章簡單介紹了25kW直流快充系統的輔助電源方案，它們直接連接在800V母線并為快充系統中的低壓器件供電。O1Zednc

參考資料 

1. “25kW SiC直流快充設計指南（第一部分）: 有關電動車應用” by Karol Rendek and Stefan Kosterec,O1Zednc

2. “25kW SiC直流快充設計指南（第二部分）：方案總覽” by Karol Rendek and Stefan KosterecO1Zednc

3. “25kW SiC直流快充設計指南（第三部分）：PFC仿真” by Karol Rendek and Stefan KosterecO1Zednc

4. “25kW SiC直流快充設計指南（第四部分）：DC-DC 級的設計考慮因素和仿真” by Karol Rendek and Stefan KosterecO1Zednc

5. “25kW SiC直流快充設計指南（第五部分）：控制算法、調制方案和反饋” by Karol Rendek and Stefan KosterecO1Zednc

6. “25kW SiC直流快充設計指南（第六部分）：用于電源模塊的柵極驅動系統” by Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和 Will AbdehO1Zednc

7. SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB O1Zednc

8. SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB O1Zednc

9. SECO−LVDCDC3064−SIC−GEVB O1Zednc

（作者：安森美Karol Rendek、Stefan Kosterec、Didier Balocco、Aniruddha Kolarkar和 Will Abdeh）O1Zednc