【導讀】從歐盟政策強驅動到全球市場拉動，電動汽車充電基礎設施正以前所未有的速度擴張。2024年全球公共充電樁已超500萬個，快充樁達200萬個，超充樁同比增長超50%，雙向充電等新需求更添復雜性。在功率躍升、尺寸縮小、電磁環境嚴苛的背景下，充電器控制電路的信號完整性與隔離設計面臨嚴峻挑戰——作為國際充電標準核心的電力線通信（PLC），其2MHz至30MHz頻段內的微弱信號極易受插入損耗、電磁干擾和阻抗不匹配影響而中斷，直接關乎充電成敗。本文聚焦這一關鍵環節，探討脈沖變壓器如何通過創新設計保持信號保真度并提供電氣隔離，成為xEV充電系統中保障可靠通信的使能元件，并以TDK AMT45S為例展示專用化設計如何應對上述挑戰。
本文將探討，隨著充電基礎設施規模擴展、外形尺寸縮小、功率水平提高，以及可靠的電力線通信（PLC）成為國際充電標準的核心，各類電動汽車（統稱為xEV）的充電器控制電路為何面臨日益嚴峻的信號完整性和隔離設計挑戰。隨后，我們將闡述脈沖變壓器如何通過工程設計來保障PLC性能、提供隔離，并在現代xEV充電系統中實現可靠通信。
為何電動汽車充電器的控制電路具有獨特挑戰
關于電動汽車充電器的討論大多集中在支持更高功率水平的電力電子設備上，但驅動電力電子設備的控制電路才是確保可靠性的關鍵。電動汽車充電器主要由兩部分組成：功率級負責能量轉換，而控制級則確保充電過程安全、高效。
控制信號可以通過獨立的通信接口或通過PLC傳輸，后者將數據通過充電接口內的控制導線（CP）進行傳輸。這種傳輸方式避免了在充電接口內設置單獨的專用數據電纜，有助于降低系統復雜性、減輕重量并減少連接器數量。
北美充電標準（NACS）和組合充電系統（CCS）均采用PLC進行充電。ISO 15118等標準定義了基于PLC充電的電氣和通信要求，包括信號強度和抗干擾能力，這些要求直接影響控制電路的設計[2]。隨著標準的持續融合，車輛能夠通過簡單的“即插即充”過程自動識別自身并協商充電，這給設計過程帶來了新的挑戰。
確保控制信號的質量對于充電至關重要，也是滿足相關認證標準的必要條件。控制信號微弱或受到干擾，可能導致充電會話管理失敗，并阻止充電器與電池管理系統（BMS）進行通信。控制線路中的每個組件、導線或連接器都會引入插入損耗，從而衰減、扭曲寬帶PLC信號。在較高頻率下，插入損耗更大，這確實會影響2MHz至30MHz范圍內的PLC通信。
除了信號衰減之外，信號完整性還面臨其他威脅。當前縮小充電器尺寸的趨勢意味著控制電子元器件和功率電子元器件將共用一塊更小的電路板。為為了提高設計功率密度和效率，通常會采用寬禁帶（WBG）電子器件。這些器件能夠以極快的速度切換大電流，從而可能在與PLC相似的頻率范圍內產生嚴重的電磁干擾（EMI）。此外，快速瞬態和可變的電纜阻抗也會影響控制信號的完整性。
脈沖變壓器的價值
應對控制信號質量方面的挑戰，使脈沖變壓器成為充電過程中最重要的元器件之一。這些器件利用磁耦合，在電路之間快速傳輸高速矩形脈沖，且失真極小。在電動汽車充電器中，它們在保持控制信號完整性的同時，還提供了電隔離，從而保護控制電路免受電源電路和EMI的影響（圖1）。脈沖變壓器還可有效阻隔信號的直流分量并抑制共模噪聲。其他用于執行這些任務的方案效果較差，且需要在頻率響應與抗噪聲能力之間進行權衡。
圖1：在PLC電路中，脈沖變壓器對于保持信號完整性以及保護控制電路免受大功率電路和噪聲的影響至關重要。（圖源：TDK）
為了盡可能減少信號衰減，電動汽車充電應用中的脈沖變壓器必須在整個2MHz至30MHz傳輸帶寬內保持低插入損耗。
雖然有多種變壓器拓撲結構都能滿足這些電氣要求，但環形脈沖變壓器常用于PLC通信電路。然而，其傳統的手工繞線工藝難以實現一致的繞線質量。此外，為了承受高壓，這類變壓器通常需進行樹脂浸漬處理，這進一步增加了體積和成本。
脈沖變壓器設計的新方法
在基于PLC的電動汽車充電控制電路中，脈沖變壓器的設計側重于信號性能，而非傳統的功率級隔離。全自動化繞線技術提高了一致性并減少了變異性，有助于盡可能降低插入損耗。與手工繞線設計相比，這些方法還支持更小的外形尺寸和更具成本效益的制造。
此外，通過優化鐵氧體選型和繞組幾何結構，可在2MHz至30MHz的整個PLC頻率范圍內保持較低的插入損耗。對于xEV PLC應用，去除不必要的絕緣層可進一步縮小尺寸并降低寄生效應，且不會影響性能，因為控制電路無需達到與直接連接電網的大功率組件相同的隔離等級。
用于xEV充電控制電路的AMT45S
TDK AMT45S是一款專為滿足電動汽車充電應用中PLC通信需求而設計的脈沖變壓器。該產品采用全自動繞線技術制造，且未采用樹脂涂層，這有助于縮小尺寸，并使其比其他解決方案更具成本效益。其鐵氧體和繞組幾何結構均經過從零開始的全新開發，旨在整個2MHz至30MHz頻率帶寬內提供盡可能低的插入損耗（圖2）。
圖2：TDK AMT45S在整個PLC頻率范圍內均表現出極低的插入損耗。（圖源：TDK）
AMT45S脈沖變壓器經過專門設計，可在漫長的使用壽命內保持最高可靠性。其小巧的占用空間使其非常適合用于抗干擾控制布局的核心位置。該器件還適用于車載充電器和充電站。為了支持設計集成，該器件已通過多種PLC芯片組的驗證，包括高通的QCA系列和Lumissil的IS32CG系列。
結語
隨著電動汽車充電基礎設施的持續擴展，控制電路通信的可靠性已成為決定充電器整體性能的關鍵因素。在功率水平提高、布局更緊湊以及電磁干擾（EMI）加劇的情況下，要保持PLC信號的完整性，就必須仔細關注通信路徑中的每一個元件，這使得脈沖變壓器從一個輔助組件轉變為關鍵使能器。TDK AMT45S等專用解決方案表明，變壓器設計方面的進步——通過低插入損耗、有效隔離和緊湊的外形尺寸——能夠直接支持現代xEV充電器中符合標準且抗干擾的PLC通信。
隨著充電系統的持續演進，越來越明顯的是：未來快速、可靠的電動汽車充電不僅取決于電力傳輸的效率，還取決于控制信號能否在傳輸過程中保持純凈且穩定。
