碳化硅為什么是快充充電樁的最優(yōu)選？

來源：碳化硅芯觀察

一輛純電動(dòng)車 (EV) 充滿電需要多久？如果借助家用交流電源的話，恐怕怎么也得花上一整個(gè)晚上。為解決充電時(shí)間問題，三級(jí)「快速」直流充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，有望將充電時(shí)間從數(shù)小時(shí)減少至數(shù)分鐘。本文中，我們將探討轉(zhuǎn)換效率與高速電源轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系，并揭示新型寬禁帶技術(shù)非常適合此類工作的理由。

01

充電時(shí)間和續(xù)航里程一樣重要

純電動(dòng)車正越來越流行，而隨著潛在用戶對(duì)它們的了解愈發(fā)深入，純電動(dòng)車極有可能迎來更快速的發(fā)展。

據(jù)美國(guó)能源信息署 (EIA) 預(yù)測(cè)，從2018年到2050年，續(xù)航里程達(dá)到160.9km、321.8km和482.8km級(jí)別的純電動(dòng)乘用車將實(shí)現(xiàn)29%的增長(zhǎng)。

得益于美國(guó)聯(lián)邦和各州為刺激純電動(dòng)車需求而頒布的法案和激勵(lì)措施，越來越多的消費(fèi)者愿意在購(gòu)買新車時(shí)將純電動(dòng)車列入候選名單。不論消費(fèi)者此舉是出于「保護(hù)地球環(huán)境」的「政治正確」，還是經(jīng)過詳細(xì)、明智的考察之后做出的認(rèn)真決策，續(xù)航里程一定會(huì)是選擇過程中繞不過去的話題， 一些思慮更多的消費(fèi)者可能會(huì)進(jìn)一步考慮充滿電所需要的時(shí)間。

在絕大多數(shù)車主看來，純電動(dòng)車充電就好比燃油車加油，后者花費(fèi)的時(shí)間顯然不會(huì)超過10到15分鐘；然而，對(duì)于純電動(dòng)車，現(xiàn)實(shí)卻很骨感：大多數(shù)純電動(dòng)車都采用車載交流充電方案，必須花上整整一個(gè)晚上或者至少好幾個(gè)小時(shí)才能充滿電 (表1) 。目前，美國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)部署的純電動(dòng)車充電樁大都是一級(jí)充電樁（通常采用家用交流電）或二級(jí)充電樁（接入三相交流電的停車場(chǎng)和零售場(chǎng)所）。

上述充電級(jí)別是由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE) 定義的， 該協(xié)會(huì)的J1772標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一級(jí)和二級(jí)充電樁的插頭和插座布局方式。對(duì)于二級(jí)和三級(jí)充電樁，SAE規(guī)定了一種組合的插頭和插座制式。

正如表1所示，如果純電動(dòng)車要解鎖如同燃油車一般的「快速****」技能，就必須借助四級(jí)充電樁和支持直流充電的車輛。實(shí)現(xiàn)四級(jí)充電需要極高的功率，并且其設(shè)計(jì)重點(diǎn)不再是車載交-直流充電樁，而是大功率、高效率的直流充電樁。

如今，四級(jí)充電樁雖然在技術(shù)上可行，但它對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求極高，因此在綜合考慮充電時(shí)間、成本和電網(wǎng)承載能力三者平衡的情況下，三級(jí)充電樁成為了一種頗有前途的解決方案。

02

快速、大功率三級(jí)充電樁的設(shè)計(jì)

三級(jí)充電樁也稱為「快充」充電樁，最大可提供500A電流，需采用高效三相電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，這種拓?fù)渫ǔＪ褂脦е绷?直流轉(zhuǎn)換器、基于Vienna整流器的功率因數(shù)校正 (PFC) 方法 (圖1) 。這種交流-直流轉(zhuǎn)換方法充分利用了電網(wǎng)三相電源中三個(gè)互不相同的電平，能夠以高效率、高密度、低物料消耗的方式實(shí)現(xiàn)所需輸出功率。
采用Vienna拓?fù)溆兄T多優(yōu)勢(shì)，但也會(huì)帶來不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴捎迷撏負(fù)湫枰獙?shí)現(xiàn)大功率高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)操作，此舉還會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗，加之轉(zhuǎn)換損耗所產(chǎn)生的熱量也需要得到處理。這些挑戰(zhàn)以及充電設(shè)備的位置所帶來的空間限制，驅(qū)使著電源設(shè)計(jì)工程師不斷尋求超越當(dāng)今硅基二極管和MOSFET特性的半導(dǎo)體制程技術(shù)。
03寬禁帶器件 
與傳統(tǒng)硅技術(shù)相比，寬禁帶半導(dǎo)體制程技術(shù)［例如碳化硅 (SiC) ］的開關(guān)速度更高，因而能夠使用更小的電感器和電容器，從而降低物料成本，縮小所需的電路板空間 (圖2) 。
碳化硅MOSFET的RDS(ON)較低，因而開關(guān)損耗也較低，通常比硅MOSFET低100倍。
總體而言，由于碳化硅器件的導(dǎo)電禁帶較寬，其擊穿電壓也較高，通常可達(dá)硅器件介電強(qiáng)度的10倍。碳化硅還能在更高的溫度下維持導(dǎo)電性，從而使設(shè)備能夠運(yùn)行在更高溫的環(huán)境中。
總之，將碳化硅二極管和MOSFET用于三級(jí)充電樁可以帶來諸多優(yōu)勢(shì)，讓充電樁結(jié)構(gòu)更緊湊、效率和性能更高。它不僅能夠讓充電樁的電路更加輕量化，更有可能降低組件的成本。