德州儀器：如何打造更快速、更安全且更智能的充電樁

當(dāng)充電樁在2020年被列入新基建的七大項(xiàng)目之中時(shí)，人們似乎看到了一個(gè)萬億元的市場(chǎng)即將被撬動(dòng)，隨之超過26個(gè)省市密集出臺(tái)了50余項(xiàng)與充電設(shè)施相關(guān)的政策。但現(xiàn)實(shí)是，根據(jù)智研咨詢提供的數(shù)據(jù)顯示，在過去的一年里充電樁的出貨量雖有明顯上升（從12萬到近30萬），卻未出現(xiàn)期望中的井噴。

市場(chǎng)的發(fā)展未能盡如人意，固然有各方利益協(xié)調(diào)的問題，但是從技術(shù)的角度來看也存在著各種阻礙因素，其中最亟需解決的是對(duì)于用戶的充電體驗(yàn)至為重要的充電時(shí)間，此外則是充電樁信息的實(shí)時(shí)交互問題，而這些都聚焦于大功率直流充電樁。

焦慮的充電進(jìn)行時(shí)

SiC由于推出時(shí)間早，用戶覆蓋面更廣。不過"SiC和GaN究竟孰優(yōu)孰劣目前下結(jié)論還為時(shí)尚早，如果長期來看，硅基GaN在成本方面的下降空間會(huì)更大。"德州儀器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊表示。

為了解決電動(dòng)汽車的充電焦慮問題，更快的充電速度成為快充站的明確要求，實(shí)現(xiàn)充電5分鐘，行駛200公里會(huì)成為行業(yè)的普遍要求。充電樁的直流模塊可以通過提高功率密度和提高充電電壓兩個(gè)方向升級(jí)，前者需要高性能實(shí)時(shí)微控制器和支持更高開關(guān)頻率的功率器件，而后者需要的是功率器件更高耐壓以及更高的轉(zhuǎn)換效率，第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件將會(huì)是很好的選擇。而且隨著第三代半導(dǎo)體開關(guān)頻率的提高，需要更復(fù)雜的電源拓?fù)浜涂刂扑惴�，因此�?duì)于實(shí)時(shí)控制器的需求也進(jìn)一步提高。

提到直流充電樁的主控部分，就必須提到市場(chǎng)上占據(jù)份額較高的德州儀器(TI)C2000™微控制器。事實(shí)上，C2000微控制器在中國市場(chǎng)久負(fù)盛名，早已廣泛用于電力電子控制領(lǐng)域，并在工業(yè)和汽車應(yīng)用中提供高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理。在過去20多年間C2000微控制器一直處于模數(shù)控制革命的前沿，經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)在的第三代性能更為出色：擁有更強(qiáng)的運(yùn)算能力、更豐富的外設(shè)資源。

C2000微控制器實(shí)施控制器由于內(nèi)置C28x數(shù)學(xué)優(yōu)化型內(nèi)核，具有微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器雙重優(yōu)勢(shì)。通過各種高效率計(jì)算內(nèi)核，C2000微控制器可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)環(huán)路計(jì)算時(shí)間。比如在雙向高密度GaN CCM圖騰柱PFC中，利用TMU，C2000微控制器可以將PWM計(jì)算從10微秒減少到0.5微秒以下，確保逐個(gè)周期進(jìn)行自適應(yīng)死區(qū)計(jì)算，從而對(duì)GaN FET進(jìn)行最精確和高效的控制。

集成更高級(jí)的外設(shè)，是C2000微控制器滿足復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一大優(yōu)勢(shì)。通過集成3.6M SPS采樣率，12 位至 16 位分辨率的ADC，實(shí)現(xiàn)更高速的電流采樣和電壓采樣；還有150ps分辨率的PWM，這樣就可以滿足第三代半導(dǎo)體更高的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)特性的充電模塊并顯著提高效率、降低尺寸。

為了追求更高的效率而增加總線電壓時(shí)，復(fù)雜的多電平拓?fù)渥兊迷絹碓狡毡椤?nbsp;NPC和ANPC拓?fù)涫请p向PFC /逆變器最受歡迎的兩種拓?fù)�，它們可以將開關(guān)設(shè)備上的電壓應(yīng)力限制為總線電壓的一半。但是，這些拓?fù)湫枰獊碜訫CU的更多PWM通道，并且還需要一種特殊的保護(hù)方案以在任何停機(jī)期間維持電源開關(guān)兩端的電壓平衡。C2000微控制器第三代器件提供了獨(dú)特的可配置邏輯塊(CLB)，可實(shí)現(xiàn)板載故障保護(hù)方案，以確保在所有工作條件下均提供實(shí)時(shí)保護(hù)，而無需任何外部邏輯電路，類似于FPGAs / CPLDs一樣靈活。例如TIDA-010210 6.6kW 三相三級(jí) ANPC 逆變器/PFC 雙向功率級(jí)參考設(shè)計(jì)中所呈現(xiàn)。

另一方面，針對(duì)快速充電樁高效率、高功率密度的電力電子和非常高的功率密度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，第三代半導(dǎo)體（包括SiC、GaN等）成為市場(chǎng)上冉冉升起的新星，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的最重要的半導(dǎo)體技術(shù)。相比此前兩代，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨(dú)特的性能，因此可以減少系統(tǒng)散熱成本及無源器件尺寸，可以提供更高能效或更高功率密度，并且降低系統(tǒng)總成本。

SiC由于推出時(shí)間早，用戶覆蓋面更廣。不過"SiC和GaN究竟孰優(yōu)孰劣目前下結(jié)論還為時(shí)尚早，如果長期來看，硅基GaN在成本方面的下降空間會(huì)更大。"德州儀器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊表示。無論如何，未來隨著第三代半導(dǎo)體在工藝上的成熟度越來越提高，整體成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加凸顯。

TI在這兩個(gè)方向上均有布局，SiC方面通過提供集成電容式隔離功能的驅(qū)動(dòng)器，提高系統(tǒng)穩(wěn)健性和可靠性，減小外形尺寸和輕松符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。而TI在GaN上的布局則可追溯到2010年，2017年與西門子推出了首個(gè)10千瓦連接云電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。而且通過不斷嘗試新架構(gòu)，使GaN適應(yīng)更廣的電壓范圍，比如800V、1000V（可參考），這也為將來在充電樁上看到GaN的身影帶來了更大的可能性。為了保證高可靠性，TI已經(jīng)針對(duì)GaN FET進(jìn)行了4000多萬小時(shí)的器件可靠性測(cè)試和超過5 GWh的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測(cè)試。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高可靠性和集成度，TI推出了GaN與驅(qū)動(dòng)集成的器件。更為亮眼的是，TI在GaN方面擁有自己的工藝和工廠，因此可以確保產(chǎn)品品質(zhì)和供應(yīng)的穩(wěn)定性保障。

在充電時(shí)長之外，用戶最痛苦的莫過于需要充電時(shí)無法確知前方充電樁的使用情況，這就需要利用安全的無線連接技術(shù)遠(yuǎn)程接入和控制。TI可以提供從短距離近場(chǎng)通訊（身份識(shí)別、信息保護(hù)）到遠(yuǎn)距離私有協(xié)議通信等各類安全無線連接產(chǎn)品，還可兼容常用的BLE、WiFi通訊技術(shù)。這些就可以讓充電樁實(shí)時(shí)更新狀態(tài)，用戶得知它的使用情況。

數(shù)據(jù)安全是用戶和運(yùn)營商都越來越看重的，因此解決方案要求提供安全的身份鑒權(quán)、數(shù)據(jù)通信等功能。在WiFi產(chǎn)品上，TI很早以前就加入了信息安全保護(hù)機(jī)制，比如針對(duì)外置Flash的數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行驗(yàn)證，防止非授權(quán)訪問和保護(hù)敏感數(shù)據(jù)，以及完善加密通道、密鑰管理等安全機(jī)制。

需要的更多

實(shí)際上，一個(gè)更安全、更智能、更快速的充電樁涉及到的技術(shù)遠(yuǎn)不止以上所提到的。比如，超級(jí)充電樁由于是大功率高壓戶外場(chǎng)景，具有特殊的安全和可靠性要求，因此在這種場(chǎng)景下使用的隔離器件、柵極器件的穩(wěn)定性和智能化，對(duì)功率器件做出的保護(hù)，是直流模塊能否以更安全的狀態(tài)運(yùn)行的前提條件。

據(jù)德州儀器華北區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理付楊介紹，TI正在進(jìn)行各個(gè)方面的創(chuàng)新研究來應(yīng)對(duì)充電樁市場(chǎng)的種種挑戰(zhàn)，其中之一便是如何以更加智能的充電樁來改善用戶體驗(yàn)，這將需要借助邊緣計(jì)算和AI技術(shù)。

而在傳統(tǒng)的產(chǎn)品方面，也是在有條不紊地推進(jìn)。比如TI高集成度的下一代電源產(chǎn)品，將電流采樣和隔離、隔離電源管理芯片，集成在一顆更小的芯片中，幫客戶節(jié)省PCB面積和成本；以及在現(xiàn)有的硅器件的基礎(chǔ)上，通過更復(fù)雜的拓?fù)�，在沒有使用更高級(jí)的功率器件的情況下實(shí)現(xiàn)更高功率密度......

在擁有先進(jìn)的技術(shù)之外，TI針對(duì)不同的用戶和需求，提供多產(chǎn)品線、不同的合作方式，最關(guān)鍵的是，作為一家已深耕中國三十五年的有企業(yè)社會(huì)責(zé)任的企業(yè)，愿意通過全面的本地支持，來幫助中國企業(yè)成功，融入到中國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大潮中。

2021年，與碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入《政府工作報(bào)告》的，還有"增加停車場(chǎng)、充電樁、換電站等設(shè)施，加快建設(shè)動(dòng)力電池回收利用體系。"據(jù)工信部于2019年末發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021~2035）》征求意見稿，預(yù)計(jì)2030年我國新能源汽車保有量將達(dá)到6420萬輛。即使車樁比不能實(shí)現(xiàn)1:1，也意味著未來充電樁市場(chǎng)必將實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展。順潮流而動(dòng)并能立于潮頭的秘訣是尋找到能夠一步一個(gè)腳印，踏踏實(shí)實(shí)靜下心來一個(gè)問題一個(gè)問題來解決的合作伙伴。一直以來，TI都堅(jiān)持如此，并致力于創(chuàng)造更好的未來。TI將始終如一，與大家攜手迎接未來挑戰(zhàn)。
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