大功率直流充电桩的电气保护设计

电动汽车的应用将减少污染，并有助于减缓气候变化的影响。阻碍电动汽车快速应用和推广的的一个重大障碍是长途旅行时充电的便利性和驾驶员可以接受的时间内为电动汽车充电的充电桩。

目前，300 kW 及以上的充电桩可以在15 -20分钟内补能80%左右。这虽然是很好的事情，但我们需要面临的主要挑战是保护用户免受大功率充电桩的影响。

其次，我们必须最大限度地提高效率，以最大限度地降低功耗（提高效率）和温升。

此外，设计还必须确保充电桩暴露于各种环境条件下仍能可靠地运行。

图 1 展示了北美几种类型的充电桩。主要分为AC L1&L2、DC快充和无线充电。

图1、北美充电类型

数据来源：《changed electric vehicels magazine》

如图2所示直流快充桩，它可以在 15 -20分钟内将 电动汽车的电池充电至80%容量。充电桩的额定功率高达 350 kW（国内甚至在480kW及以上的功率），可为电池提供高达 500 A 的电流。为了设计好这样的大功率充电桩，我们必须克服安全性、效率和可靠性方面的挑战。

充电桩内部主要包括人机交互面板、保险、防雷装置、接触器、功率模块、枪线等模块。这里面主要的与电气保护相关的器件主要有TVS管、保险丝、继电器、压敏电阻、电流传感器、电压传感器、防雷装置、接地故障继电器等，保证充电桩在各种工况下都能可靠的运行，这些故障保护装置和电路发挥着及其重要的作用。

图2、直流充电桩内部的主要器件

数据来源：《changed electric vehicels magazine》

而在功率模块内部，从故障保护设计的角度来看，还有AC端的交流保险、RCD剩余电流保护器、接触器、接地保护、浪涌保护等；DC端包括隔离监测、继电器、保险丝、温度保护等。

图3、直流充电桩系统保护框图

数据来源：《changed electric vehicels magazine》

图4、直流充电桩功率模块拓扑（三相维也纳+三电平逆变器）

数据来源：《changed electric vehicels magazine》

图5、双向DC/DC拓扑（基于SiC MOSFET）

数据来源：《changed electric vehicels magazine》

1、由于大功率直流充电桩需要高电压、大电流的交流电的输入，为了防止过载，需要使用快速熔断的大电流保险丝。确保保险丝的电流中断额定值足以超过交流线路上的电流值。

2、使用浪涌保护器来吸收电压瞬变。浪涌保护器可以吸收高达50 kA的瞬态电流。它们将电压瞬变箝位到安全水平，防止能量传播到电路中并损坏其他器件。同时增加浪涌保护保险丝以保护浪涌保护器。

3、对于交流输入部分，应针对接地电流故障提供保护。可以使用检测低于 30 mA 的接地电流的电流互感器；接地故障保护继电器可以测量来自传感器的电流，并在检测到高接地电流时断开电源。

4、DC/DC转换器电路需要输入保险丝保护和瞬态过载抑制。使用快速熔断的半导体保险丝来保护下游半导体元器件。可以考虑使用金属氧化物压敏电阻 （MOV） 和气体放电管或 采用MOV 和晶闸管的组合以防止瞬变。低功耗充电器子单元只需要MOV或MOSFET即可实现次级瞬态保护。

5、为了保护通信、用户界面和访问面板等低压电路免受静电放电 （ESD） 损坏，可使用瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管阵列。

6、可使用快速响应、大电流、高额定电压保险丝 保护直流输出电路免受负载电流短路的影响。

7、充电枪头的温度保护，使用温度传感器。这个在主流的四大（国标、欧标、美标、日标）的充电标准中均有要求。

大功率直流充电桩，最大限度地降低功率损耗可以有效降低功耗。可以考虑以下方案以最大限度地提高效率：

1、使用维也纳PFC。这是一种无桥功率因数校正电路，既能最大限度地减少电源线的电流消耗，又能使用最少数量的晶体管和二极管。

2、在整流电路中使用具有低正向压降和低漏电流的肖特基二极管。

3、在 DC-DC 转换器电路中使用 SiC MOSFET 可实现快速开关速率，从而实现更高效的开关模式 DC-DC 转换器。碳化硅 MOSFET 还具有低 RDS（on），降低开关损耗。

4、使用高效的栅极驱动芯片以简化 MOSFET 的控制并最大限度地降低功耗。

如果是双向功率拓扑，还能实现向电网放电，实现V2X的功能，为用户创收和降低能源消耗。

充电站/桩作为电动汽车的基础设施，需要满足不同国家和地区的标准及多项认证。

图6、 充电站的安全标准

数据来源：《changed electric vehicels magazine》

总的来说，大功率充电桩的电气保护设计的好坏关系到充电桩能否稳定运行，所以在设计时大家都比较关注。虽然电气保护功能是越多越好，但是还是要平衡成本跟质量，研发工程师不能一味的不顾成本而只考虑功能。

END

希望对您有用！