【導讀】目前，電動汽車的使用仍受到阻礙，主要在于 “里程焦慮”問題，并且車主不愿在道路上等待數(shù)小時充電時間。然而，隨著全國各地部署越來越多的充電樁，“直流快速充電”有望將等待時間縮短至數(shù)分鐘。這些額定功率達350 kW的大功率充電樁，必須利用最新的電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)和半導體開關(guān)技術(shù)，以盡可能提高電能效來實現(xiàn)成本效益。本文將介紹這些大功率充電樁的典型設計方法，對功率器件的一些選擇，以及最新的寬禁帶半導體可帶來的優(yōu)勢。
無可否認，電動汽車越來越被廣泛接受，其銷售增長率約60％[1]。然而，該分析也指出在2018年底其市場滲透率僅2.2％，因此，電動汽車要成為主流還有很長的路要走。盡管如此，制造商仍承諾，預計到2023年將有400多款電動汽車車型上市。
讓人們放棄使用汽油汽車的決定受許多因素影響，其中最重要的是購置成本，還有 “里程焦慮”的問題。電動汽車用于短途通勤和本地出行可能沒有問題，因為家用充電器會在夜間為電動汽車“充電”。真正令人們卻步的是電動汽車行駛里程一般少于300英里，這對于長途駕駛來說不夠用。尤其是在充電點很少且隔得很遠的地區(qū)，如果充電需要花費幾個小時那么使用電動汽車就很難實行了。
即使是在家從240 V AC電源為已耗盡電量的100 kWh電池 (如在特斯拉中)充滿電也可能需要14個小時，導致第二天幾乎不夠時間出行。但是，隨著 “快速” 直流充電樁的出現(xiàn)，充電時間將可以以分鐘而不是小時來計算。
充電樁分級
在家、辦公室和路邊有不同的充電選擇，大眾可能對術(shù)語也有一些爭議，但普遍認為“1級(Level 1)” 指使用常規(guī)120 V AC家庭插座(歐洲為230 / 240 V AC)，充電速度最慢。“2級(Level 2)” 指利用240 V AC或有時指通過安裝，內(nèi)置控制和保護的充電樁使用400 VAC三相。Level 2提供更快的充電速率，但這仍基于家庭使用。Level 1和Level 2均使用車載充電器為電池產(chǎn)生直流電。“3級(Level 3)” 指從靜態(tài)AC-DC轉(zhuǎn)換器直接向電池進行直流充電，通常是在加油站，并需要使用三相AC電源。這種配置的最大功率為350 kW，充電時間可縮減至數(shù)分鐘，類似于為內(nèi)燃機(ICE)車輛加油所需的時間。
圖1總結(jié)了在美國電動汽車三種充電級別的表現(xiàn)。
圖1：充電級別和性能（美國）
快速充電樁技術(shù)
功率達350 kW的3級充電樁設計要求極高，低成本永遠需優(yōu)先考慮，然而轉(zhuǎn)換能效也是關(guān)鍵。每浪費一瓦特就意味著更高的電費、更少的電量充電池和更長的充電時間，而過多的熱損失也降低了電動汽車的環(huán)保優(yōu)勢。高能效還降低冷卻硬件的需求，從而有助于縮減成本和尺寸。
圖2展示典型的直流快速充電樁框圖，并重點顯示主要元素。
圖2：典型的快速直流充電樁框圖
幾千瓦級充電樁通常使用“維也納(Vienna)整流器”來實現(xiàn)三相交流整流和功率因數(shù)校正(PFC)。圖3顯示兩種不同的拓撲。拓撲1的器件較少，能效最高，但是二極管必須使用相對昂貴的1200 V類型，且六個開關(guān)需要復雜的控制。而拓撲2僅使用三個開關(guān)，控制較為簡單，且二極管可以是600 V類型，但因傳導路徑中有更多的二極管，能效較低。
在每種拓撲中，都可用高壓硅(Si) MOSFET或碳化硅(SiC) MOSFET，若為了盡可能降低成本，如能將頻率保持在較低水平則可考慮使用IGBT。設計充電樁的工程師可從安森美(onsemi) [2]中選擇不同器件，例如，其“第4代場截止(Field Stop 4)”器件可提供650 V或950 V額定值的低速、中速和高速版本，具有不同的飽和電壓和體現(xiàn)動態(tài)損耗的EOFF值。在較高的額定電壓下，可能需要基于IGBT的三相半橋整流器/PFC級，安森美的“超場截止(Ultra Field Stop)”1200 V器件也有低速和高速版本，具有同類最佳的VCESAT和EOFF。
圖3：Vienna整流器拓撲
Vienna整流器級為主DC-DC轉(zhuǎn)換級產(chǎn)生一個穩(wěn)定的高壓總線，這是其中一種拓撲。圖4所示的全橋交錯LLC和三級LLC是最常見的實施方法。交錯版本可使用650 V 超級結(jié)MOSFET，因每個MOSFET只有一半的電源電壓。安森美的SuperFET?III技術(shù)可實現(xiàn)這些拓撲，并分為三個版本：
“易驅(qū)動版本(Easy Drive)”
集成門極電阻以降低電磁干擾(EMI)和電壓尖峰。
“快速版本(Fast)”
用于硬開關(guān)應用中實現(xiàn)最高能效。
“快速恢復版本(FRFET)”
集成同類最佳的體二極管，用于LLC等諧振轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)最佳性能。
圖4：替代轉(zhuǎn)換器拓撲
為了獲得更高能效和功率密度，工程師可使用900 V/1200 V SiC MOSFET，以在較高的開關(guān)頻率下使用較小的磁性元器件，抵消較高的器件成本。高額定電壓允許僅使用單個H橋，無需交錯，開關(guān)數(shù)量更少，從而再次節(jié)省成本。對于成本非常敏感的應用，可使用安森美半導體的場截止系列的650 V或1200 V IGBT，但開關(guān)頻率較低，因此磁性元器件更大且成本更高。輸出二極管可以是1200 V的“Stealth”或“Hyperfast” 硅類型，也可以是損耗更低的1200 V SiC類型。
三級LLC拓撲使用較少的二極管和開關(guān)，集成相關(guān)的隔離型門極驅(qū)動，盡管需要三個變壓器，但輸出紋波要低得多。同樣，可使用超級結(jié)Si或SiC-MOSFET或IGBT，具體取決于對性能/成本的權(quán)衡。
寬禁帶SiC器件提供廣泛的性能改進
采用SiC寬禁帶開關(guān)和二極管有很多好處，快速、低損耗的高壓開關(guān)可減少系統(tǒng)成本、尺寸和重量，同時節(jié)能。 實驗比較了使用Vienna整流器和全橋LLC轉(zhuǎn)換器的硅方案，及集成碳化硅的三相半橋整流器/PFC的全橋LLC轉(zhuǎn)換器，結(jié)果顯示，采用SiC版本的方案，功率吞吐量提高了25％，重量減少22％，體積減少62％，器件數(shù)減少20％，從而使產(chǎn)品更可靠。
封裝也在發(fā)展
能否充分利用功率半導體通常取決于封裝，尤其是在較高的開關(guān)頻率下，引線電感等寄生效應會降低性能。安森美的創(chuàng)新PQFN、LFPAK和TO無鉛封裝能解決這一問題，同時提供了增強的熱性能。為大幅減少生產(chǎn)裝配時間和器件數(shù)，可考慮使用功率集成模塊(PIM)，PIM將多個器件集成在一個封裝中，包括IGBT、Si和SiC MOSFET、混合Si和SiC二極管的模塊以及檢測電阻等其他元器件。預集成的PIM的性能是有保證的，能消除開發(fā)風險，減少器件庫存并加快了產(chǎn)品上市時間。
總結(jié)
最新一代功率半導體用于高能效電源轉(zhuǎn)換拓撲中，賦能快速電動汽車直流充電樁設計，解決“里程焦慮”問題。安森美垂直集成了供應IGBT、Si和SiC MOSFET以及二極管的所有工藝，以提供完整的電源方案，輔以一系列全面的支持器件如模擬和數(shù)字控制器、隔離型門極驅(qū)動器、低損耗電流檢測放大器和光耦合器。
參考文獻
[1] EV-Volumes.com; McKinsey analysis
[2] www.onsemi.com
來源：安森美，作者：工業(yè)業(yè)務拓展Steven Shackell
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