同類(lèi)最佳的超級結MOSFET和 具成本優(yōu)勢的IGBT用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁

插電式混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)(xEV)包含一個(gè)高壓電池子系統，可采用內置的車(chē)載充電器(OBC)或外部的充電樁進(jìn)行充電。充電(應用)要求在高溫環(huán)境下具有高電壓、高電流和高性能，開(kāi)發(fā)高能效、高性能、具豐富保護功能的充電樁對于實(shí)現以盡可能短的充電時(shí)間續航更遠的里程至關(guān)重要。常用的半導體器件有IGBT、超結MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半導體為電動(dòng)汽車(chē)OBC和直流充電樁提供完整的系統方案，包括通過(guò)AEC車(chē)規認證的超級結MOSFET、IGBT、門(mén)極驅動(dòng)器、碳化硅(SiC)器件、電壓檢測、控制產(chǎn)品乃至電源模塊等，支持設計人員優(yōu)化性能，加快開(kāi)發(fā)周期。本文將主要介紹用于電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的超級結MOSFET和具成本優(yōu)勢的IGBT方案。

電動(dòng)汽車(chē)充電級和里程

充電樁按充電能力分類(lèi)，以處理不同的用例場(chǎng)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(shí)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分鐘內充到80%左右，用于公共充電樁。根據中國“一車(chē)一樁”計劃，電動(dòng)汽車(chē)充電樁總數在2020年將達480萬(wàn)個(gè)，電動(dòng)汽車(chē)充電工程的450萬(wàn)個(gè)總安裝量中將至少有200萬(wàn)個(gè)是大功率直流充電樁，且2020年后其它國家也將增加電動(dòng)汽車(chē)充電樁。安森美半導體主要提供DCFC方案。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)充電級和里程

電動(dòng)汽車(chē)充電樁電源模塊系統趨勢

1. 增加輸出功率以節省充電時(shí)間

充電樁將由現在主流的60 kW、90 kW發(fā)展到將來(lái)的150 kW、240 kW，相應地充電樁電源模塊將由現在的15 kW、20 kW、30 kW提高到將來(lái)的40 kW、50 kW、60 kW，以縮短充滿(mǎn)電的時(shí)間。

2. 提高功率密度以節省空間

這可通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率Fsw以減少無(wú)源器件，并降低損耗以減少散熱器來(lái)實(shí)現。

3. 提高能效以節能

安森美半導體定位于將滿(mǎn)載能效從現在的95%提高到超過(guò)96%，超越能效法規。

4. 提高系統可靠性

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

超級結MOSFET的優(yōu)勢和使用趨勢

轉向零排放電動(dòng)汽車(chē)等節能減排趨勢推動(dòng)對中高壓MOSFET的需求增加。平面MOSFET的導通電阻Rds(on)和損耗較大。且根據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MOSFET能夠顯著(zhù)降低導通電阻Rds(on)和門(mén)極電荷Qg。超級結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，且擊穿電壓與導通電阻近似線(xiàn)性關(guān)系，從而顯著(zhù)降低導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。由于超級結MOSFET在快速開(kāi)關(guān)應用中的能效和功率密度高，常用于高端應用。

電動(dòng)汽車(chē)充電樁架構和安森美半導體的第3代超級結MOSFET方案

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

圖2：電動(dòng)汽車(chē)充電樁架構

其中，3相Vienna  PFC可選用安森美半導體的第3代超級結MOSFET (SUPERFET III)的易驅動(dòng)(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列，多級LLC可選用SUPERFET III 快速恢復(FRFET)系列。EASY Drive系列可內部調節門(mén)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(kāi)關(guān)。FAST系列有減小的門(mén)極電荷Qg和輸出電容儲存能量Eoss，低開(kāi)關(guān)損耗，高能效，適用于硬開(kāi)關(guān)拓撲。FRFET系列集成一個(gè)高度優(yōu)化的快恢復二極管，具有超低Qrr和Trr，最小化開(kāi)關(guān)損耗并提高系統級可靠性，適用于軟/硬開(kāi)關(guān)拓撲。

圖3：推薦的安森美半導體SUPERFET III方案用于電動(dòng)汽車(chē)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體的SUPERFET III FRFET系列和Easy Drive系列進(jìn)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，測得安森美半導體的SUPERFET III FRFET的門(mén)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，并且有更低的導通電阻Rds(on)、關(guān)斷損耗和同類(lèi)最佳的二極管性能，因而提供更高的系統能效。

利用SUPERFET III FRFET避免輸出短路故障

普通MOSFET在LLC拓撲中容易出現輸出短路故障，而安森美半導體的SUPERFET III FRFET通過(guò)優(yōu)化門(mén)極電荷Qg等參數可避免輸出短路故障，使器件正常工作。

采用SUPERFET III FRFET的HF版本提高系統能效

安森美半導體SUPERFET III FRFET的 F版本在關(guān)斷時(shí)是慢開(kāi)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(shí)為快速開(kāi)關(guān)，故有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更低的Ross，可提供更高的系統能效。

具成本優(yōu)勢的IGBT方案用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁

相比較超級結方案，IGBT可提供具成本優(yōu)勢的方案用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁。安森美半導體提供領(lǐng)先行業(yè)的場(chǎng)截止IGBT技術(shù)，其最新的第四代場(chǎng)截止(FS4) IGBT具備同類(lèi)最低的導通損耗、開(kāi)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充電樁

SiC和智能功率模塊(IPM)

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

總結

安森美半導體憑借在功率器件和封裝技術(shù)的專(zhuān)業(yè)知識，為電動(dòng)汽車(chē)充電應用提供高能效創(chuàng )新的半導體方案，包括同類(lèi)最佳的超級結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(shí)現更高性能、能效和更低損耗，是用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁 DC-DC、PFC等電源模塊的極佳選擇。