基于光耦合器的电动汽车快速充电桩的研究动向

刘春梅

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

随着在路上行驶的电动汽车的急增，为了能在路上迅速补充能量，需要增设更多的充电设施。电动汽车充电桩就是其中的一种重要充电设施，它给电动汽车提供电气能量和网络连接。快速充电桩采用直流充电法，将直流电直接注入到车辆内部的电池。由于直流充电设备安装在固定位置，且没有大小的限制，它的额定功率可高达数百千瓦，能大幅度地缩短充电时间。大功率充电桩首先要考虑充电桩的电子装置在实现所有功能时都达到安全隔离的需求。由于光耦合器以光为媒介传输电信号，其输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，具有很强的共模抑制能力，因此光耦合器被广泛应用于快速充电桩的隔离电路中。

1 充电桩拓扑结构和安全隔离

快速充电桩由AC-DC整流器、功率因素校正（PFC）段和DC-DC转换器等功能区块组成，如图1所示，调节出合适的电压等级给车辆的电池充电。在充电桩拓扑结构中，多个光耦合器作为隔离元件提供各种信号隔离功能，保证高频变压器安全隔离的同时，还为高压电路和低压控制电路间提供电流隔离。还有的光耦合器作为栅极驱动器控制电路中的MOSFET和IGBT等功率元件，利用它们的开关功能将电压升高。MCU利用PFC及PWM信号，基于电压、电流及温度和使用者输入等信息控制DC-DC转换器。此外，充电桩还具有EVSE和电动汽车之间的通信、EVSE与充电桩控制中心之间的通信、还有充电数据报告、远程监控及诊断信息传输到云端的数字通信端口的功能。

如图1所示，隔离式安全栅沿着多个光耦合器的耦合点形成的线上构建，以确保设计符合安全监管标准方面的要求。本文介绍光耦合器在快速充电桩电路中作为隔离元件和栅极驱动器的运用情况。

图1 快速充电桩拓扑结构简图

2 CAN总线隔离

快速充电桩通过CAN总线连接的ECU有：主控ECU、电压ECU、电流ECU、温度ECU、显示ECU、电池ECU、打印ECU等，同时采集和控制各个ECU的主控电压、电流、温度等参数，并将收集信息发给主控节点，主控节点对来自各个ECU的数据进行相关处理。由于快速充电桩的使用情况十分复杂，各节点之间存在很高的共模电压，虽然CAN接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过CAN控制器的极限接收电压时，CAN控制器就无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。因此，为进一步增强抗干扰能力，保护充电桩通信信号的安全和稳定，防止任何损害涉及到系统MCU，在CAN控制器与收发器之间必须设置光电隔离电路。

图2显示了如何使用光耦合器为快速充电桩建立CAN总线隔离的数字通信方案。在图2中使用一对10MBd快速光耦合器（ACPL-W61L）来传输和接收数据。ACPL-W61L每分钟可以承受5000VRMS 的高压，其共模瞬变抗扰度（CMTI）可达到35kV/μs。

图2 快速充电桩中CAN总线隔离的数字通信

3 隔离光耦放大器

快速充电桩中强电侧容易对弱电侧造成干扰，严重时会造成系统主控部分无法正常工作，甚至造成系统损坏，因此为防止强电侧影响弱电侧，电路中需要将强弱电隔离。同时还需要对母线的电压和电流以及输出端口的电压和电流进行监控，需要用隔离型的电压电流采样器件。AVAGO（安华高）公司推出的电压采样隔离光耦放大器ACPL-C87X与电流采样隔离光耦ACPL-C79x可以用来做电压和电流传感器。ACPL-C87X只需接到分压电路底部，就可以实现对电压隔离采样，而ACPL-C79x只需在需要测试电流值电路中加入采样电阻，并将采样电阻接到信号输入端，输出端就可以获得隔离的电流采样信号值。

快速充电桩中使用电压采样隔离光耦ACPL-C87X和电流采样隔离光耦ACPL-C79x，能够获得无干扰的电压和电流采样信号，可以提高系统的可靠性。当充电桩系统发生短路、搭铁故障、过载、电压升高或降低等情况时，主控部分会迅速切断电路，保护系统安全。

4 光耦合器的栅极驱动器

快速充电桩电路中，MCU根据高压电池充电模式控制动力MOSFET或者IGBT的开关和各电位的时间，控制稳定输出电压或电流的PWM信号，使MCU的PWM信号达到能够驱动MOSFET或者IGBT的栅极所要的频率，增大输出电流幅值的元件称为栅极驱动器。快速充电桩的设计中只有最合适电力转换方式的选择、选择高性能功率元件和确切的栅极驱动器，达成目标的效率。图3为ACPL-C87X的直流电压感应回路。

图3 ACPL-C87X的直流电压感应回路

根据高效率驱动和保护需要的不同，栅极驱动器分为基本单一功能和集成多种功能。例如：AVAGO公司的ACPLW346栅极驱动器，特点是输出电流2.5A，轨到轨输出电压以及非常短的传送延迟时间55ns。目前功率元件市场上比硅材料功率MOSFET和IGBT好的碳化硅MOSFET得到普及，其优点之一就是高压碳化硅MOSFET中没有IGBT上能见到的尾部电流损失，因此开关损失减少。并且，碳化硅MOSFET有较高的电流密度、较小的芯片尺寸，容量比硅MOSFET小，因此可以提高开关频率，改善系统效率。使用ACPL-339J驱动碳化硅MOSFET的简化连接电路如图4所示。电路中分别采用了配有合适缓冲阶的ACPL-W346和ACPL-339J，并与8A、100kHz DC-DC转换器中的碳化硅MOSFET协作。当阻断电压为600V的时候，基于碳化硅MOSFET的系统要比常规基于IGBT设计的效率高4%。

5 总结

本文介绍了光耦合器在快速充电桩电路中作为隔离元件和栅极驱动器的运用情况。虽然光耦合器具有高电气隔离值和低成本的优点，但采用光耦合器的光隔离缺点也很明显，传播时间较长，抗噪性较低，静态电流较高以及随温度和老化而迅速降低的绝缘性能等。这些缺陷使得光耦合隔离技术只能用在成本较低的低频电源转换器上。另外随着基于IGBT、碳化硅和氮化镓的功率转换器的使用，其开关频率可以达到几百赫兹甚至几兆赫兹不等，需要采用新型隔离式栅极驱动器IC在高频下来切换宽带隙MOSFET。

图4 ACPL-339J 驱动碳化硅MOSFET的简化电路