一輛純電動車（EV）充滿電需要多久？如果借助家用交流電源的話，恐怕怎么也得花上一整個晚上。為解決充電時間問題，三級「快速」直流充電技術應運而生，有望將充電時間從數小時減少至數分鐘。本文中，我們將探討轉換效率與高速電源轉換之間的關系，并揭示新型寬帶隙技術非常適合此類工作的理由。

充電時間和續航里程一樣重要

純電動車正越來越流行，而隨著潛在用戶對它們的了解愈發深入，純電動車極有可能迎來更快速的發展。根據美國能源信息署（EIA）預測，從2018年到2050年，續航里程達到160.9km、321.8km和482.8km級別的純電動乘用車將實現29%的增長。得益于美國聯邦和各州為刺激純電動車需求而頒布的法案和激勵措施，更多消費者如今都愿意在購買新車時將純電動車列入候選中。不論消費者此舉是出于「保護地球環境」的「政治正確」，還是經過詳細、明智的考察之后做出的認真決策，續航里程一定會是選擇過程中繞不過去的話題，一些思緒更加深入的消費者可能會進一步考慮充滿電所需要的時間。在絕大多數車主看來，純電動車充電就好比燃油車加油，后者花費的時間顯然不會超過10到15分鐘；然而，對于純電動車，現實卻很骨感：大多數純電動車都采用車載交流充電方案，必須花上整整一個晚上或者至少好幾個小時才能充滿電（表1）。目前，美國全國范圍內部署的純電動車充電樁大都是一級充電樁（通常采用家用交流電）或二級充電樁（接入三相交流電的停車場和零售場所）。上述充電級別是由美國汽車工程師協會（SAE）定義的，該協會的J1772標準規定了一級和二級充電樁的插頭和插座布局方式。對于二級和三級充電樁，SAE規定了一種組合的插頭和插座制式。

表1：純電動車充電樁的類型，列出了各種充電級別以及對應的充電時間和功率需求（來源：安森美半導體）

正如表1所示，如果純電動車要解鎖如同燃油車一般的「快速回血」技能，就必須借助四級充電樁和支持直流充電的車輛。實現四級充電需要極高的功率，并且其設計重點不再是車載交-直流充電樁，而是大功率、高效率的直流充電樁。如今，四級充電樁雖然在技術上可行，但它對當地電網的要求極高，因此在綜合考慮充電時間、成本和電網承載能力三者平衡的情況下，三級充電樁成為了一種頗有前途的解決方案。

快速、大功率三級充電樁的設計

三級充電樁也稱為「快充」充電樁，最大可提供500A電流，需采用高效三相電源轉換拓撲，這種拓撲通常使用帶直流-直流轉換器、基于Vienna整流器的功率因數校正（PFC）方法（圖1）。這種交流-直流轉換方法充分利用了電網三相電源中三個互不相同的電平，能夠以高效率、高密度、低物料消耗的方式實現所需輸出功率。

圖1：采用Vienna PFC轉換器拓撲的純電動車三級充電樁（來源：安森美半導體）

采用Vienna拓撲有著諸多優勢，但也會帶來不小的挑戰，因為采用該拓撲需要實現大功率高頻轉換開關操作，此舉還會產生開關損耗，加之轉換損耗所產生的熱量也需要得到處理。這些挑戰以及充電設備的位置所帶來的空間限制，驅使著電源設計工程師不斷尋求超越當今硅基二極管和MOSFET特性的半導體制程技術。
作者簡介

Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術作家。他擁有電信、導航系統和嵌入式應用工程等專業背景，代表貿澤電子撰寫了各種技術和實踐文章。