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在新能源汽车加速迈向超充时代，市场对于动辄数百千瓦的直流快速充电桩需求正迎来爆发式增长。构建高密度、高能效的直流快速充电网络，已成为支撑下一代智能交通的战略支点。为了让即充即走的极致出行体验成为现实，下一代大功率充电基础设施正全面重塑其能效与安全边界。
为助力工程师攻克大功率系统集成与全生命周期可靠性的设计难题，安森美（onsemi）打造《直流快速充电桩图解手册》，一册尽览以下核心架构与实用指南：
本手册介绍了一种直流快速充电系统（L3 级别），采用三相交流电网输入，输出约 400-1000V 直流电，支持 400V 和 800V 电动汽车电池系统。
手册内容根据主要功率转换链展开：三相交流电网 → PFC/有源前端 → 高压直流链路 → 隔离式 DC-DC 级 → 车辆输出。
手册包含多种 AC-DC PFC/有源前端方案：Vienna PFC（单向）、二电平六开关有源前端（AFE）、T-NPC（三电平）和 NPC/A-NPC（三电平）。
涵盖了用于高功率充电的隔离式 DC-DC 拓扑：相移全桥、双有源桥（双向/V2G）和 LLC/CLLC 谐振转换器。
增加了输出级和安全模块，包括用于快速断开、故障中断和双向阻断的固态输出开关。
涵盖了栅极驱动器和控制电子器件的辅助电源和偏置电源，包括隔离反激式、推挽式和 LLC 方案。
包括栅极驱动、检测和保护支持模块，采用了隔离驱动器、电流/电压检测、比较器、ADC 和快速保护路径。
总结了 MCU 和通信要求，例如 CAN、以太网 (OCPP/ISO 15118)、蓝牙和 EMC/ESD 保护。
每个功能块均以一致的格式呈现方案优势、亮点和实用设计指南。
顶层框图
PFC级-单向 Vienna PFC
方案优势
简单且最成熟的方案
稳健、经济高效的单向前端
更低的 EMI 和更小的输入电感
相较于二电平 AFE，高功率下效率更高
在直流快速充电器中，单向 Vienna PFC 作为 AC-DC 前端，产生并调节高压直流链路，为隔离式 DC-DC 级供电。它将三相电网电流整流为正弦波形（高 PF，低 THD），同时升压至分离式直流母线，每相采用一个受控开关和二极管路径来实现三电平运行。典型实现目标是 400 VRMS 线间输入，并在每个功率模块上调节至约 700–800VDC（几十千瓦级）。客户选择这种方案的原因是，与二电平有源整流器相比，它具有更高的效率、更低的器件应力和更低的 EMI 滤波器负担。
亮点
CCM 运行，三电平行为，降低半导体应力
与直接式二电平三相 PWM 整流器相比，三电平结构可降低纹波，缩小磁性元件体积，并有助于降低传导 EMI
三电平 PFC 拓扑通常可以使用较低电压等级的开关
实用设计指南
功率开关：使用 650V 级器件，具有低 Qg和低开关损耗（器件所承受的电压应力约为直流链路电压的一半）
二极管：为降低损耗和 EMI，建议选用 Qrr 非常低的 650V SiC 二极管
选择低损耗开关以实现 CCM 纹波和三电平换向；与二电平相比，具有较低的阻断应力
使用快速、低 Qrr 二极管，以在二极管主导的通路中减少恢复损耗和 EMI
设置电流和母线检测，用于 CCM 整流、PF 控制和直流链路调节
采用隔离栅极驱动和最小环路电感，以实现快速 SiC 开关
使用具备欠压锁定 (UVLO)、米勒箝位和 DESAT/软关断功能的安森美隔离驱动器
施加栅极负偏压以防止 dv/dt 引起的误导通
优先采用 PIM/模块集成，以缩短换向回路并提高可靠性
PFC级-二电平六开关有源前端（AFE）
方案优势
快速电动汽车充电器中广泛使用的双向运行拓扑
高功率质量：低 THD 和近单位功率因数
简洁性和生态系统成熟度
可通过模块化和并联运行扩展为高功率模块
在直流快速充电器中，二电平六开关有源前端（AFE）作为三相并网 AC-DC 级，用于调节直流母线电源，从而为隔离式 DC-DC 输出供电。通过 PWM 控制，它能主动将三路输入电流整流为正弦波，并与电网同相（单位功率因数），同时保持升压直流链路。对于常见的充电器，输入电压约为 400/480 VRMS 线间电压，而快速充电器架构通常使用高直流母线，以在高功率下减小电流。客户选择二电平 AFE 的原因包括：成熟的设计实践，具备双向功能（如需要），能够轻松实现模块化扩展。
亮点
二电平 AFE 是一种可控整流器，与二极管桥相比，它能够提供双向功率流和主动谐波抑制。
二电平 PFC 架构，在快速充电器中通常使用高压开关来实现。
SiC 技术能够实现更高的开关频率，从而提高这种“经典”拓扑的可实现密度。
AFE 实现方案中 EMI 滤波通常为必备设计（往往采用 LCL 概念），以满足电网合规性要求。
实用设计指南
选择功率开关时，应考虑直流母线电压应力、开关损耗权衡、直流链路过冲和电网瞬态裕度，对于 400V 输入，应使用 1200V 器件
设计输入电感器和滤波器，以满足纹波和电网谐波限制
确保直流链路预充电安全，避免浪涌电流和二极管失控导通
采用隔离式栅极驱动和保护，适用于快速开关和短路应力
实现电流和直流母线检测，并结合电网同步，以实现单位功率因数控制
优先选择安森美 SiC MOSFET 模块，以降低损耗并简化热/机械设计
对于高 dv/dt 操作，使用具有高 CMTI 和稳健保护功能的安森美隔离式栅极驱动器
遵循 SiC 栅极驱动最佳实践（布局、驱动强度、负偏压），以限制 EMI 和误导通
PFC级-T-NPC PFC
方案优势
三电平开关降低了 dv/dt 和纹波
分区器件应力支持采用混合电压等级，从而优化成本和效率
通过多千瓦级原型机验证了在 DCFC 功率水平下具有高效率
可扩展的模块化架构广泛应用于快速充电器设计
在直流快速充电器中，T 型 (T-NPC) 整流器作为三相 AC-DC 有源前端，为隔离式 DC-DC 级生成分离式稳压直流母线。每相桥臂生成三个输出电压电平，与二电平开关相比，可降低纹波并潜在减少 EMI 滤波器负担。通过超快速充电器 T 型整流器实现方案来验证动态负载条件下的直流链路调节和中点平衡性能。客户选择 T-NPC 的原因在于它能够保持熟悉的 PWM 整流器控制结构，同时提供多电平效率/EMI 优势。
亮点
行业认可的三电平 PFC 方案，其器件额定值要求与二电平 PFC 不同
中性线电压分区设计可实现成本/效率优化
零电压开关/零电流开关潜力搭配辅助调制技术
成熟的多回路控制，可实现快速负载动态响应和中点电流控制
通常以 NPC/ANPC 作为效率、EMI 和电容应力测试的基准
实用设计指南
根据三电平换向路径将开关应力分配到各个器件上，以优化损耗和布局
设计分离式直流链路和平衡控制，以管理 T 型整流器固有的中点动态特性
利用三电平工作模式的低纹波特性优化输入电感器和滤波器，同时满足电网限制
使用隔离式栅极驱动器搭配保护装置，装置需要适合应对高 dv/dt 和短路事件
检测相电流和直流链路两侧电流，以支持电流控制和中点平衡
功率开关：内侧开关使用 650V 器件；根据需要，选择更高电压等级的外侧开关器件
二极管：使用低 Qrr SiC 箝位二极管来限制中点应力
优先选择安森美 SiC MOSFET 模块，以降低损耗并简化热/机械设计
应用 SiC 栅极驱动最佳实践（驱动强度、负偏压、紧密回路）来抑制 EMI 和振铃
