安森美如何构建兆瓦级电动汽车充电系统

本文作者：Sally Feng，安森美（onsemi）技术营销

公路出行需要快速、安全且及时的充电体验，交通运输行业在此基础上，还亟需优化能耗。双向充电技术，正是兼顾这两大诉求的理想方案。

为电动汽车充电不应超过半小时。要实现这一目标，就必须采用、实施并部署安全可靠的充电系统，为每个充电终端（即每个“充电泵”）提供至少1兆瓦的功率。关键在于，输配电网络也必须具备支撑如此庞大充电负荷的能力，确保高效、可靠地输送电能。

美国橡树岭国家实验室（ORNL）已为其MCS（兆瓦级充电系统）系统构想了全国性架构。ORNL于2022年首次公布这一目标，利用包括来自安森美在内的现有技术，旨在开发并部署全国性的电动汽车快充站网络，能够在半小时内将一辆纯电动半挂卡车几乎耗尽的500 kW电池组补充大部分电量。

图1：橡树岭实验室全国快充系统架构。图片来源：Andy Sproles/ORNL，美国能源部

这将是全球电力传输供应链的一场革命性变革，使得纯电动汽车高速公路出行至少在便捷性和安全性上与传统燃油车不相上下。采用ORNL的设计方案，将引入一个并不算全新、只是在北美尚未充分利用的电力传输理念：双向充电。这将使原本设计用于车辆充电的能源系统能够将电力回馈至主输电网。

全面采用双向系统，还意味着在供电短缺或停电时，充满电的电动汽车电池可为整个家庭供电。

要克服实现此类系统的技术壁垒，需要采用自下而上的架构实施思路。电力输送系统需要有更高性能、更高能效、更强散热能力的半导体器件。Yole集团创始人兼总裁Jean-Christophe Eloy在最近一份白皮书中写道："电气化、自动驾驶以及软件定义汽车的兴起，不仅正在重塑汽车本身，也在重塑其背后的整个价值链。而这场革命的核心正是半导体——它现已成为激烈竞争的市场中，实现性能提升、技术创新与产品差异化的战略性赋能要素。"

双向兆瓦级充电系统

基于太阳能的充电系统中，一个正在兴起的标准特性是双向直流快充（DCFC）。在其中一个方向上，它使太阳能充电系统能够在主电网供电中断时提供备用电源；在另一方向上，它使能量能够经由太阳能充电系统和车辆本身回馈至电网。这就是所谓的车网互动（V2G）模式——尽管其名称暗示车辆始终是供电侧，但V2G所依托的技术与太阳能充电系统向电网馈电所用的技术完全相同。

双向充电的核心目的，在于为电力分配与消耗增添灵活性。在ORNL的充电网络中，光伏系统可在负载高峰、供电紧张时段将电力回馈至电网，因此成为分布式能源系统中的关键组成部分。在完全双向的能源基础设施中，车辆电池本身即可充当备用电源。既可以为平时依靠电网维持稳定供电的家庭供电（车辆到家庭模式，V2H），也可以为其他直流供电设备甚至其他电动汽车电池供电（车辆到负载模式，V2L）。

DCFC使多种供给侧与需求侧管理技术成为可能，从而大幅提升充电基础设施的效率：

削峰——通过光伏及其他电源补充供电，降低对主电网的电力需求。

负载均衡——将来自多端口的供电功率均匀分配至各充电终端，避免超容量运行。

备用电源——可调用现场电池电力，为电网及光伏集能装置补充供电。

能源套利——在用电低谷时段为备用电池充电，补充充电终端可用电能。

橡树岭双向DCFC架构的核心，是一种名为“多端口”的功率变换系统。根据该实验室的构想，该系统将集成光伏发电、1 MW以上的电动汽车快充功能以及现场储能系统（ESS）。与多端口系统相连的充电系统总输出功率可达10~15 MW，单个多端口系统可支持1~5 MW的功率输出。

图2：橡树岭国家实验室（ORNL）的兆瓦级充电架构框图。[ORNL]

在该架构中，每个重型电动汽车（HD-EV）变换器的额定功率为1.2 MW。每个变换器的充电端口配置，可以是单个1.2 MW端口，也可以是三个400 kW端口。DC-DC变换环节中每个充电端口的拓扑，均采用双有源桥（DAB）变换器方案。这是ORNL做出的关键核心选择，主要原因如下：

通过优化配置半导体器件，可显著简化高效可靠供电所必需的同步整流过程。

在DC-DC变换过程中采用脉宽调制（PWM），使每个变换器的电磁干扰（EMI）频谱更加集中、更易于滤除。

当系统处于轻载状态（即仅为轻型车辆充电）时，可通过固定开关频率更轻松地应对。

DAB本质上是一种双向拓扑，可使多余电能回馈至电网。

碳化硅赋能双向充电架构

ORNL的设计支持以单点并网方式为充电系统提供高达16 MW的功率，且每个并网点支持多个端口。然而，这些充电终端所承载的负荷将不仅来自电动汽车，还包括储能与光伏系统。要同时满足这些要求，意味着充电系统将需要采用宽禁带、2 kV碳化硅MOSFET作为其DC-DC功率变换系统的关键开关器件，例如安森美的EliteSiC M3S系列。

对于轻型乘用车用户，基础设施工程师与架构师认为，20至30分钟的充电停歇时间完全有可能被打造为一种“充电体验”，然而，对于电动半挂卡车和电动公交车等电动重型车辆（eHDV）的驾驶员来说，无法保证半小时的等待时间。

为满足商业运输的需求，安森美开发了一款100 kW直流快充功率模块参考设计。

图3：电动汽车充电电压等级上升趋势

这一首创设计支持双向功率流动，功率可达100 kW，利用V2G实现能源优化。该100 kW模块针对480 VAC标称输入设计，峰值效率超过97%，从而降低能量损耗和运营成本。

主要特性

电压范围：680 V至1500 V直流输出，支持超越当前1000 V标准的下一代电动汽车架构

可扩展性：采用T-NPC有源前端与双有源桥（DAB）DC-DC变换级的模块化拓扑，确保与各类充电基础设施兼容

合规性：谐波控制可最大限度降低静电放电与射频干扰，符合欧盟EN 55011 A类与美国FCC第15部分A类的要求

热管理：先进的液冷系统可在高负载工况下保持最优性能

该100 kW模块的有源前端（AFE）采用T-NPC拓扑，使用安森美的2 kV碳化硅MOSFET模块实现AC/DC变换，最大限度地降低开关损耗并提升效率。双有源桥（DAB）级则采用封装于PIM（F2 功率集成模块）内的NXH003P120M3F2PTNG碳化硅MOSFET，在电网与电动汽车电池之间提供完全电气隔离，确保安全、可靠的双向功率传输。该PIM支持25 kW至100 kW的可扩展输出功率，并支持车辆到负载（V2L）和车辆到电网（V2G）双向充电。

表1：安森美M3S EliteSiC功率集成模块（用于AC/DC变换）

针对包括直流壁挂式充电盒和高达 350 kW 充电桩在内的分立式碳化硅（SiC）应用，安森美推荐使用 EliteSiC M3S MOSFET（见表2）。具体型号包括：采用久经验证 TO-247-4L 封装的 NTH4L040N120M3S，该器件具备高漏源耐压与最低击穿电压指标；以及采用高效 D2PAK-7L 封装、典型导通电阻极低的 NTBG023N065M3S。

表2：onsemi M3S EliteSiC系列MOSFET

安森美功率产品组合涵盖了多种隔离式单通道和双通道栅极驱动器，尤其适合电动汽车充电（EVC）应用（表3），包括NCV51563、NCV51752和NCV57080。

表3：安森美电气隔离栅极驱动器

集成储能系统与光伏逆变器

ORNL兆瓦级充电方案中，有一处设计亮点常被忽视：该方案可直接集成光伏逆变器与储能系统（ESS）。

安森美的碳化硅MOSFET以在光伏系统中提供高效率和高可靠性而著称。NTBG023N065M3S作为650 V碳化硅MOSFET，在紧凑型光伏逆变器设计中可最大限度降低开关损耗。对于光伏升压级，NXH600B100H4Q2F2（见表4）是一款先进的混合硅/碳化硅器件，采用三通道设计。该IGBT+SiC二极管架构结合了沟槽结构与场截止层，并集成NTC热敏电阻，在最小化开关损耗和压降的同时提升了性能。

表4：安森美用于光伏系统的对称升压模块

对于储能系统（ESS），onsemi提供针对双向运行优化的可扩展碳化硅功率模块和栅极驱动器。NCD57080（见表3）是一款面向ESS应用、具备稳健控制能力的隔离式栅极驱动器，而NXH008T120M3F2PTHG（见表1）则提供更高的功率密度、更低的导通损耗和简化散热设计。

通过在直流快充、太阳能和储能系统领域组合运用EliteSiC MOSFET、二极管和功率集成模块，安森美助力打造高效、灵活且面向未来的电动汽车充电基础设施。

垂直整合的供应链

要实现兆瓦级充电系统，既有需要攻克的技术挑战，也存在供应链的问题。当元器件供应商未能对其所服务的市场进行垂直整合时，每家供应商都至少缺乏一项基本能力——例如，制造其所销售的产品，或封装其所制造的器件——而不得不依赖其他供应商来填补这一能力空白。

作为面向汽车和电动汽车充电市场的垂直整合供应商，安森美在材料、裸片、封装以及终端系统方面拥有核心应用专长和技术能力，并遵循严格的测试和最高质量标准。此外，与依赖多家次级供应商相比，与单一垂直整合供应商合作，可以更轻松地实现产能扩充。

随着可再生能源日益成为更广泛交通运输行业的动力来源，推动全球经济变革的催化剂也随之显现。作为碳化硅解决方案的领导者，安森美依托其端到端垂直整合供应链，其EliteSiC器件为构建面向未来的电力系统提供了所需的灵活性、可靠性和创新能力。