市場對於電動和混合動力車輛的接受度要依賴充電站網路，因為消費者不會想在一個無法為車輛充電的地方耗盡電量。電動車的採用與否還取決於充電時間的縮短，目標是使電動車充電時間與傳統的充電時間持平；這又取決於充電功率超過50kw的大功率充電站，而這些充電站相對更昂貴。

考量到充電站的重要性、所涉及的功率水準和所需的投資，電動車充電系統的設計者必須對安全性、效率和可靠性進行規劃：

• 安全──消費者安全至上，在直流充電站出現之前，一般大眾還沒有接觸到比他們在家裡看到的牆上插座120V更高的電源。新型電動車充電器可提供400至1,000V直流電，電動車充電器必須將電擊和其他危險的威脅降至最低。
• 高效──功率轉換是直流快速充電系統的關鍵，將功率轉換中的損耗降至最低，可確保為車輛電池充電提供最大功率，並減少熱量積聚。
• 可靠──安裝後，即使在最惡劣的室外條件下，電動車充電設備也必須可靠地運作10年或更長時間，以確保獲得可接受的投資回報。

安全性

電動車充電站的兩大安全威脅是電擊和過電流。電擊通常是由接地故障引起的。

電擊

接地故障是通電的導體與地面或設備框架之間的意外接觸，絕緣擊穿是典型的元兇。此外，灰塵和濕氣可能會導致意外的電力傳輸。潮濕多塵的環境(例如在室外設備周圍發現的環境)需要進行認真的設計。

在設計的輸入端需要交流接地故障保護，以保護元件免受破壞性故障的影響，並在設備框架或外殼通電時保護用戶免受電擊。接地故障保護元件在相線導體上使用電流互感器，以確保所有來自電源的電流都在相同的導體上返回，或者它讀取變壓器中性線與地面之間連接中的電流。系統中任何地方的接地故障都會透過該路徑返回電流。

同樣，輸出端也需要接地故障保護，如此一來當使用者拿起容量為1,000 V的的充電槍時，手柄或框架就不會通電。在輸出端安裝了一個直流接地故障監視器，以檢測是否有接地洩漏並立即切斷電源。由於輸出端未接地，接地故障監控器依靠兩條母線之間的接地參考模組來建立中性點，該中性點用作檢測低級接地故障的參考。

過電流

根據其性質，車輛充電站連接到具有可輸出高故障電流的電源。電氣故障，包括引發接地故障的電氣故障，可能會汲取高電流。這可能具有非常大的破壞性，損壞元件、扭曲母線、引發火災，甚至會引起電弧閃光事件(這種爆炸可能會傷害或殺死任何站在附近的人)。

根據熔斷器的分斷能力，基於正常運作電流的額定值及其時間-電流曲線特性選擇熔斷器。 在出現高值過電流時，「限流熔斷器」會快速運作，以限制峰值通過電流。除非快速中斷，否則即使是中等過電流也會使系統元件過熱，損壞絕緣和導體。然而，最嚴重的將是許多電子元件的損壞，其中許多元件甚至容易受到低值過電流的影響。

高效率

功率半導體元件將交流電轉換成汽車電池充電所需的直流電。為了使充電水準與車輛電池所需的電量相匹配，功率半導體元件通過開關控制充電，這一過程自然會以熱量的形式造成功率損失。在電動車充電應用中，熱量會帶來工程技術方面的挑戰。這就是為什麼在功率轉換中會採用基於碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)技術的先進技術元件。與矽元件相比，它們可提供超快速開關，從而降低了功耗。

碳化矽 MOSFET元件現在可以同時具有高工作電壓和快速開關速度，這一組合通常是傳統功率電晶體所不具備的。為了適應車輛充電應用，它們必須在高結溫下工作，並且具有低閘極電阻、低閘極電荷、低輸出電容和超低導通電阻的特點。設計人員更喜歡能提供高功率密度、減小濾波器元件尺寸和重量的元件，從而降低成本和空間需求。

可靠性

與設計壽命為三到五年的筆記型電腦之類的消費性電子裝置不同，直流充電站價格昂貴，因此購買者需要使它們持續使用10年或更長時間才能取得投資報酬，僅半導體一項內容的價值就從交流充電器中的350美元到350 kW充電系統中的3,500美元以上不等。適當的電路保護將使該投資長期可靠地運作。

半導體元件對電氣威脅很敏感，必須藉由熔斷器保護其免受過電流的影響。這些元件通常由矽或碳化矽製成，並且具有較低的耐熱容量。傳統的熔斷器足以保護其中的大多數，但需要專門的高速直流熔斷器來保護功率半導體元件──例如功率轉換器(逆變器、整流器等)中使用的MOSFET、IGBT、二極體和晶閘管。這種熔斷器具有特定的時間-電流特性，因此與傳統的交流輸入熔斷器相比，它們的運作速度非常快。

對敏感的半導體元件的另一個威脅是過電壓。如果電動車充電器位於配備大型馬達的工業設施附近，打開和關閉這些馬達會在電源中產生電壓浪湧。另外，如果充電站附近遭受雷擊，電磁能量可能會在附近的電源線上引起電壓浪湧，該電壓浪湧可能會透過交流電源輸入線傳到充電器中。所以必須使用過壓保護元件吸收該能量，防止它損壞使充電器正常工作的敏感電子元件。

電路保護元件採用不同的技術製造。 儘管許多類型的元件都可以使用，但最好選擇適應該應用的理想技術的元件。 在直流充電系統中，大功率瞬態抑制器(TVS)二極體或金屬氧化物壓敏電阻(MOV)通常是最佳的抑制元件。其他類型的保護元件──例如保護晶閘管，氣體放電管和多層壓敏電阻(MLV)或抑制裝置的組合──也通常被指定。

當它用於保護敏感電路時，瞬態抑制器的反應時間是極其重要的，如果抑制器動作緩慢，系統上出現快速上升的瞬態電壓，那麼在抑制開始之前，受保護的負載兩端的電壓可能會上升到破壞水準。電動車充電站設計可實現可靠，高效和安全的目標。

本文由Littelfuse供稿

By EE Times Taiwan