想象一下，电动汽车充电体验就像停车一样无缝、直观，只需 “停车、充电、出发”。对于最终用户来说，这种体验的吸引力是显而易见的：
不再需要沉重的电缆；
不用再捣鼓连接器；
无需接触可能脏污或损坏的充电设备。
在电动汽车车主的设想中，将车开进自家车库、指定停车位或公共充电站，无需离开驾驶座就能轻松地为汽车充电。这种便利性使日常充电更加人性化，并通过完全移除物理连接器提高了安全性。
理解这种以用户为中心的理念对于电动汽车无线充电系统的设计者来说至关重要。通过提供高效、可靠和快速的无线充电，设计人员可以为电动汽车驾驶员带来集轻松、舒适和安心于一体的好处。
目前的电动汽车无线充电器可提供高达20千瓦的功率，在4-6小时内为电池充电，而未来的无线充电器将可提供100千瓦的功率，并能在20分钟内将电池充电状态提高50%。
无线充电站必须快速、安全、高效、可靠，才能加快普及。
本文探讨了实现这种体验所需的技术考虑因素和创新方法，以确保无线充电解决方案在不断变化的电动汽车环境中满足性能和用户期望。文章介绍了四个组件，这些组件可满足设计的基本需求，确保充电器电路保护、安全监控以及快速、高效的电力传输。无线充电器是一种交流-交流转换器，可将50/60赫兹的电源转换为频率范围为130千赫的电源。谐振频率取决于拓扑结构和功率半导体技术（Si/SiC/GaN）。功率输出可达20千瓦。图1展示了无线充电器及其负载（电动汽车）。图中还定义了充电器和车辆中的主要电源和控制电路模块。安全和可靠性方面的考虑因素包括过流保护、过压保护、过温和接地电流监控。优化效率需要使用低功率损耗元件进行设计。图2展示了为典型无线充电器设计电路提供电路保护和高效率的元件，传感器提供温度监测和外壳接入保护。
图2 无线电动汽车充电系统推荐的保护、控制和传感组件图3和图4显示了一个无线充电器的详细方框图。图3中相邻的表格列出了充电器中用于防止电气危害的组件。图4主要显示了产生效率和关键传感的组件。图3 电动汽车无线充电框图及推荐组件（框图1-3）图4 电动汽车无线充电框图及推荐组件（框图4-11）输入保护电路包含主要的过流和过温保护元件。建议使用的元件包括：用于功率传输电路的大电流保险丝，以及用于保护小功率辅助电源和控制电路的快速保险丝。与气体放电管串联的金属氧化物变阻器（MOV）可吸收瞬态过压。过电压瞬态产生的原因是雷电会在交流输入线路上引起电压浪涌。此外，电力负载的开关也会引起交流线路电压浪涌。瞬态电压抑制器（TVS）二极管是一种特殊元件，可捕捉通过MOV和气体放电管的部分瞬态电压。TVS二极管的箝位电压较低，工作速度比MOV器件快得多。这种特殊的二极管可确保下游电路得到保护。它们可以吸收1kA的脉冲，并在1纳秒内对瞬态做出反应。TVS二极管可提供保护，防止高达15kV的静电放电（ESD）空气冲击和高达8kV的直接接触放电。可提供双向型号和尺寸小于传统分立解决方案十分之一的型号。TVS二极管可采用轴向引线或表面贴装形式。图5显示了TVS二极管及其功能图，以Littelfuse的AK1-Y系列TVS二极管为例。该元件将提供必要的静电放电和其他瞬态保护，以避免损坏无线充电器中的半导体电路。
对于无线电动汽车充电器等系统，监测接地电流对于保护人员安全至关重要。接地故障保护电路具有接地电流监测功能。Littelfuse为该电路提供了新型剩余电流监测器，可检测交流和直流接地故障电流。新型RCMP20剩余电流监测器系列适用于模式2和模式3无线充电站，具有最大的电流互感器孔径，可支持更高的交流充电电流。剩余电流监控器具有灵敏的典型跳闸阈值，直流电为4.5mA，交流电为22mA。此外，这些监测器还采用了横截面积更大的集成导体，以提供更好的热管理并降低印刷电路板（PCB）温度的上升。因此，设计更紧凑、更可靠，而且不影响性能。此外，监测器还具有很高的抗电磁干扰（EMI）能力，从而提高了充电器电路的可靠性，并最大限度地减少了电路误跳闸。监视器可水平或垂直安装，使设计人员能够灵活优化空间利用率。图6显示了剩余电流监控器系列中的各种型号。无线充电系统等系统消耗大量电能。优化设计以提高效率可降低功耗和公用事业成本，并减少热量积聚。减少产生的热量可降低系统内部温升，提高系统可靠性。在功率传输电路中使用两种元件有助于提高效率和可靠性。这两个元件是栅极驱动器和SiC MOSFET。栅极驱动器可控制无桥、维也纳或升压整流器以及全桥谐振高频转换器电路中的功率SiC MOSFET和IGBT。驱动器具有独立的9A拉电流和灌电流，可实现可编程的导通和关断时序，同时最大限度地降低开关损耗。内部负电荷稳压器可提供可选的负栅极驱动偏置，从而改善dV/dt抗扰度并加快关断速度。栅极驱动器最大限度地缩短了开关时间，其导通和关断传播延迟时间通常分别为70和65纳秒。上升时间和下降时间输出的典型值为10纳秒。为确保稳健运行，栅极驱动器具有去饱和检测电路，可检测到SiC MOSFET过流情况并启动软关断。该电路可防止出现具有潜在破坏性的dV/dt事件。其他保护功能包括UVLO检测和热关断。图7展示了Littelfuse IX4352NE SiC MOSFET和IGBT驱动器IC，这是一款高速栅极驱动器，具有可靠控制SiC MOSFET的功能。图7 超快低侧SiC MOSFET和IGBT栅极驱动器IX4352NE和原理图高功率SiC MOSFET驱动功率传输线圈。半桥封装的漏极-源极电压为1200V，漏极电流高达19.5A。除提供高功率外，MOSFET还能最大限度地降低导通功耗，典型RDS(ON)值低至160mΩ。SiC MOSFET具有典型的低栅极电荷、较短的导通和关断延迟时间以及电流上升和下降时间，因此开关功率损耗较低。基于DCB的隔离封装提高了热阻和功率处理能力。 先进的顶部冷却封装简化了热管理。图8所示的Littelfuse半桥SiC MOSFET MCL10P1200LB系列采用先进封装，可实现高效率，从而减少元件数量并优化高可靠性。
图8 半桥配置中的功率SiC MOSFET MCL10P1200LB系列防止过流、过压、ESD和过温等电气危害是确保可靠运行的关键。前文所述的四个推荐组件可帮助设计人员开发出稳健、安全、可靠的无线电动汽车充电站。要开发出稳健高效的产品，设计人员应考虑利用元件制造商的应用工程师，以节省设计时间和合规成本。应用工程师可以提供以下帮助：
- Littelfuse可进行符合性预测试，以避免符合性测试失败，并节省项目延误和多次符合性测试周期所增加的成本。
与元件制造商的应用工程师合作并使用推荐的元件，将有助于生产出安全、可靠和高效的电动汽车无线充电解决方案。
