同類最佳的超級結(jié)MOSFET和 具成本優(yōu)勢的IGBT用于電動汽車充電樁

插電式混合動力/電動汽車(xEV)包含一個高壓電池子系統(tǒng)，可采用內(nèi)置的車載充電器(OBC)或外部的充電樁進行充電。充電(應(yīng)用)要求在高溫環(huán)境下具有高電壓、高電流和高性能，開發(fā)高能效、高性能、具豐富保護功能的充電樁對于實現(xiàn)以盡可能短的充電時間續(xù)航更遠的里程至關(guān)重要。常用的半導(dǎo)體器件有IGBT、超結(jié)MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半導(dǎo)體為電動汽車OBC和直流充電樁提供完整的系統(tǒng)方案，包括通過AEC車規(guī)認(rèn)證的超級結(jié)MOSFET、IGBT、門極驅(qū)動器、碳化硅(SiC)器件、電壓檢測、控制產(chǎn)品乃至電源模塊等，支持設(shè)計人員優(yōu)化性能，加快開發(fā)周期。本文將主要介紹用于電動汽車直流充電樁的超級結(jié)MOSFET和具成本優(yōu)勢的IGBT方案。

電動汽車充電級和里程

充電樁按充電能力分類，以處理不同的用例場景。一級充電樁是120 V、輸出15 A或20 A 的交流充電樁，每充電1小時增加約4至6英里里程。二級充電功率有3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW四種功率級別，適用于輸出電流分別達20 A、20 A、50 A、100 A的240 V交流電源插座。直流快速充電(DCFC)樁的輸入電壓為440 V或480 V，能在30分鐘內(nèi)充到80%左右，用于公共充電樁。根據(jù)中國“一車一樁”計劃，電動汽車充電樁總數(shù)在2020年將達480萬個，電動汽車充電工程的450萬個總安裝量中將至少有200萬個是大功率直流充電樁，且2020年后其它國家也將增加電動汽車充電樁。安森美半導(dǎo)體主要提供DCFC方案。

圖1：電動汽車充電級和里程

電動汽車充電樁電源模塊系統(tǒng)趨勢

1. 增加輸出功率以節(jié)省充電時間

充電樁將由現(xiàn)在主流的60 kW、90 kW發(fā)展到將來的150 kW、240 kW，相應(yīng)地充電樁電源模塊將由現(xiàn)在的15 kW、20 kW、30 kW提高到將來的40 kW、50 kW、60 kW，以縮短充滿電的時間。

2. 提高功率密度以節(jié)省空間

這可通過提高開關(guān)頻率Fsw以減少無源器件，并降低損耗以減少散熱器來實現(xiàn)。

3. 提高能效以節(jié)能

安森美半導(dǎo)體定位于將滿載能效從現(xiàn)在的95%提高到超過96%，超越能效法規(guī)。

4. 提高系統(tǒng)可靠性

這需要延長電解電容器使用壽命和確保在有塵、潮濕、熱、寒區(qū)域等戶外安裝的高可靠性。

超級結(jié)MOSFET的優(yōu)勢和使用趨勢

轉(zhuǎn)向零排放電動汽車等節(jié)能減排趨勢推動對中高壓MOSFET的需求增加。平面MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)和損耗較大。且根據(jù)擊穿電壓與面積成正比，要獲得更高的擊穿電壓需要更大面積的摻雜。超級結(jié)MOSFET能夠顯著降低導(dǎo)通電阻Rds(on)和門極電荷Qg。超級結(jié)MOSFET由于電荷平衡，在相同的摻雜下，面積是2倍，因此擊穿電壓也是兩倍，且擊穿電壓與導(dǎo)通電阻近似線性關(guān)系，從而顯著降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。由于超級結(jié)MOSFET在快速開關(guān)應(yīng)用中的能效和功率密度高，常用于高端應(yīng)用。

電動汽車充電樁架構(gòu)和安森美半導(dǎo)體的第3代超級結(jié)MOSFET方案

例如，210 kW 電動汽車充電點由14個15 kW模塊組成，每個15 kW的電池充電器模塊都是由3相交流380 V輸入，經(jīng)過3相Vienna 功率因數(shù)校正(PFC)后，電壓升高到800 V直流電壓，再經(jīng)過高壓DC-DC輸出250 V至750 V直流電壓。

圖2：電動汽車充電樁架構(gòu)

其中，3相Vienna  PFC可選用安森美半導(dǎo)體的第3代超級結(jié)MOSFET (SUPERFET III)的易驅(qū)動(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列，多級LLC可選用SUPERFET III 快速恢復(fù)(FRFET)系列。EASY Drive系列可內(nèi)部調(diào)節(jié)門極電阻Rg和寄生電容，有極低的EMI和電壓尖峰，適用于硬/軟開關(guān)。FAST系列有減小的門極電荷Qg和輸出電容儲存能量Eoss，低開關(guān)損耗，高能效，適用于硬開關(guān)拓?fù)?。FRFET系列集成一個高度優(yōu)化的快恢復(fù)二極管，具有超低Qrr和Trr，最小化開關(guān)損耗并提高系統(tǒng)級可靠性，適用于軟/硬開關(guān)拓?fù)洹?/p>

圖3：推薦的安森美半導(dǎo)體SUPERFET III方案用于電動汽車充電樁

SUPERFET III FRFET系列具有超低Qrr和Trr

在同等工作條件下對安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET系列和Easy Drive系列進行比較，測得FRFET系列比Easy Drive系列的Qrr和Irr分別降低90%和73%。

安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET優(yōu)于競爭對手

在同等工作條件下，測得安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET的門極電荷Qg、Trr、Irr、Qrr和Eoss比競爭對手都有不同程度的降低，降低幅度從8%到47%不等，并且有更低的導(dǎo)通電阻Rds(on)、關(guān)斷損耗和同類最佳的二極管性能，因而提供更高的系統(tǒng)能效。

利用SUPERFET III FRFET避免輸出短路故障

普通MOSFET在LLC拓?fù)渲腥菀壮霈F(xiàn)輸出短路故障，而安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET通過優(yōu)化門極電荷Qg等參數(shù)可避免輸出短路故障，使器件正常工作。

采用SUPERFET III FRFET的HF版本提高系統(tǒng)能效

安森美半導(dǎo)體SUPERFET III FRFET的 F版本在關(guān)斷時是慢開關(guān)，因而有低尖峰Vds和低dv/dt，優(yōu)勢是更好的EMI性能。HF版本在關(guān)斷時為快速開關(guān)，故有更低的開關(guān)損耗和更低的Ross，可提供更高的系統(tǒng)能效。

具成本優(yōu)勢的IGBT方案用于電動汽車充電樁

相比較超級結(jié)方案，IGBT可提供具成本優(yōu)勢的方案用于電動汽車充電樁。安森美半導(dǎo)體提供領(lǐng)先行業(yè)的場截止IGBT技術(shù)，其最新的第四代場截止(FS4) IGBT具備同類最低的導(dǎo)通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗、體二極管損耗和更小的電壓尖峰。推薦用于電動汽車充電樁的FS4 IGBT和整流器方案如下表所示。

圖4：具成本優(yōu)勢的IGBT和整流方案用于電動汽車充電樁

SiC和智能功率模塊(IPM)

此外，安森美半導(dǎo)體也提供650 V和1200 V SiC二極管、1200 V SiC MOSFET，以及緊湊的IPM以實現(xiàn)更高能效、功率密度和可靠性。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體憑借在功率器件和封裝技術(shù)的專業(yè)知識，為電動汽車充電應(yīng)用提供高能效創(chuàng)新的半導(dǎo)體方案，包括同類最佳的超級結(jié)MOSFET、具成本優(yōu)勢的 IGBT 及二極管方案、基于SiC的方案和IPM，有助于實現(xiàn)更高性能、能效和更低損耗，是用于電動汽車充電樁 DC-DC、PFC等電源模塊的極佳選擇。