为满足日益增长的需求，必须建立更多更快捷的充电基础设施。同时，作为实现低碳目标的关键手段，需要高效设计充电器件采用。预计将朝着更高功率和更高效率的趋势发展。通过采用合适的功率元件、拓扑结构以及坚固耐用的控制器，我们将拥有更多大功率充电站，在解决用户续航焦虑的同时减少碳排放。本指南介绍了直流设计方法，第一篇将重点介绍系统目标、市场信息与展望、系统描述。

系统目标

电动汽车的普及给消费者和社会都带来了诸多益处。许多国家实施了税收优惠政策，降低了电动汽车购买者的总拥有成本。同时，高度电子化的系统实现了更先进的汽车，提升了用户体验。在环境和社会方面，电动汽车消除了碳排放，有助于各国和企业实现脱碳目标。此外，它还为摆脱对化石燃料的依赖提供了机会。

传统燃油车通常只需 5 分钟加油就能行驶数百公里，作为传统燃油车的替代品，电动汽车一直致力于缩短充电时间，同时达到相近的续航里程。主流的电动汽车充电解决方案是利用更高的充电电压。与具有软电压限制的交流充电相比，直流快充可以在 800V 的电压下工作，因此充电功率更高、电流更小、发热更少、损耗更低。

直流主要有两种类型。体积较大的是商业快充站使用的三相快充，其单个充电桩的最大输出功率可达 600 kW。另一种体积较小的充电桩是交流充电桩的替代品，通常被称为直流 Wallbox 充电桩，支持单相/三相交流输入。它的输出功率较小，适合家庭使用，例如 25 kW。

市场信息与展望

■ 不断增长的电动汽车充电桩市场
根据国际能源署（IEA）发布的《2023 年全球电动汽车展望》 ，预计 2023 年全球电动汽车销量将达到约 1400 万辆，比 2022 年增长 35%。为支持不断增长的电动汽车保有量， 2022年全球已安装超过 270 万套公共充电桩，预计到 2030 年将达到 1250 万套。

■ 更高的充电电压和功率

首款采用 800 V 系统电压的电动汽车于几年前发布，当时其他类型的电动汽车的电气系统额定电压在 300 V- 500 V 之间。800V 平台意味着更高的充电电压，从而在相同的功率条件下具有更低的充电电流、更少的布线、更低的功耗和一系列其他优势。它还能实现更高的充电功率。如今，全球已推出或即将推出 20 多款配备 800 V 系统的车型，提供超过350kW 充电功率的快速充电站已广泛普及。

■ 更高的功率密度

大功率充电桩通常集成了多个。电动汽车直流充电桩本质上是一个包含继电器、仪表、断路器、辅助电源、风扇以及各种其他组件的机柜。虽然电动汽车直流充电桩通常不需要紧凑型设计， 但具有更高功率密度的可使得单个机柜内能够容纳更多的模块。在有限空间内的这种扩展可以增强输出能力， 同时提供额外的空间来解决散热问题。

■ 碳化硅器件用于电动汽车直流充电桩

碳化硅元件具有明显的优势，如较低的导通电阻 RDS(ON)、高频开关特性、高电压和耐温性，因此已逐渐应用于高性能电动汽车直流充电桩中。与利用并联配置来处理更大的电流相比，使用功率模块可有效提高功率密度、改善系统可靠性并避免寄生效应引起的问题。

■ 新生态系统：储能系统（ESS） 和光伏逆变器系统

直流充电站的扩建给当地电网带来了挑战。潜在的问题包括当大量充电设备同时运行时对电网的影响、低功率因数设备或空载设备对电网造成的谐波污染，以及当地变压器容量的限制。连接光伏逆变器系统和储能系统变得至关重要。光伏逆变器可以与电网分担一部分电力负载，而储能系统更为关键，它可以减少对电网的影响，实现能源套利，降低用户成本。

系统实现

车载充电机（AC 充电桩）与电动汽车直流充电桩（直流充电桩）

系统描述

■ 功率转换

电动汽车直流充电桩由经典 AC-DC 和 DC-DC 功率转换级组成。直流充电桩的前端含一个三相功率因数校正 (PFC) 升压级，可采用多种拓扑结构（两电平或三电平）、单向或双向转换。

了解三电平和三电平 PFC 电路示例， 请参阅 AND90142 - 解读三相功率因数校正拓扑结构。来自电网的电压电平 400 V - 480 V（三相） / 110 V - 240 V（单相）被升压至 500 -1000 V（以及更高电压）。随后的 DC-DC 隔离级将母线电压转换为所需的输出电压。输出电压与电动汽车电池电压（通常为 400V 或 800V） 相匹配，并需要涵盖充电电压分布。因此， DC-DC 输出范围可能从 150V 到 1000V 不等。具体的实现方式可能需要对 400V 或800V 电平进行优化。

目前， 电动汽车直流充电桩的整体系统效率约为 95%，主要损耗来自功率转换、 线缆和变压器。在大功率系统中，即使是 1% 的损耗也会产生大量热量，因此提高效率一直是充电桩设计人员的目标。

■ 直流 Wallbox 充电桩

直流 Wallbox 充电桩被认为是安装在停车场、住宅、办公室等场所的传统低功率交流充电桩的替代品。它必须结构紧凑、重量轻、成本效益高。直流 Wallbox 充电桩的核心价值在于它定义了充电功率，而不是依赖于车载充电机（OBC） 。(交流充电桩是一个包含电表和通信接口的简单系统， 不包括大功率转换级）。随着直流 Wallbox 充电桩的应用，一些制造商考虑在未来的电动汽车中取消 OBC，以降低汽车成本。然而，这也会为无法使用交流充电桩带来不便。

■ 通信

通信和连接性是电动汽车充电桩的核心组成部分， 承担着不同的功能：功率级堆叠模块之间,有 CAN、 PLC、 RS485， 具体取决于充电桩制造商（OEM） 。在车辆与充电桩之间，用于充电序列的通信通常使用 CAN 或 PLC。为了进行支付、服务管理、维护、软件升级等外部连接，优选的通信方法包括 BLE、 Wi-Fi 和 4G/5G。

■ 合规性和标准

全球范围内有多个标准和协议定义了直流充电的要求，例如 IEC-61851/SAE1772、 GB/T 标准以及 CHAdeMO、 联合充电系统（CCS）或特斯拉超级充电协议等。 此外， IEC 61000-3-2/4 标准还规定了电力谐波的限制。

■ 分立器件与功率模块

影响客户决策的因素有很多，但对于大功率产品，尤其是并联多个 MOSFET/IGBT 分立器件时，强烈建议采用模块解决方案。模块方案将改善不平衡电流和发热引起的长期性能、开关时序、布线连接等方面的问题。