碳化硅為什么是快充充電樁的最優(yōu)選？

來源：中關(guān)村天合寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟

一輛純電動車 (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晚上。為解決充電時間問題，三級「快速」直流充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，有望將充電時間從數(shù)小時減少至數(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。

充電時間和續(xù)航里程一樣重要

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

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

得益于美國聯(lián)邦和各州為刺激純電動車需求而頒布的法案和激勵措施，越來越多的消費(fèi)者愿意在購買新車時將純電動車列入候選名單。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)者可能會進(jìn)一步考慮充滿電所需要的時間。

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

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

表1：純電動車充電樁的類型，表中列出了各種充電級別以及對應(yīng)的充電時間和功率需求

正如表1所示，如果純電動車要解鎖如同燃油車一般的「快速回血」技能，就必須借助四級充電樁和支持直流充電的車輛。實(shí)現(xiàn)四級充電需要極高的功率，并且其設(shè)計重點(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，四級充電樁雖然在技術(shù)上可行，但它對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求極高，因此在綜合考慮充電時間、成本和電網(wǎng)承載能力三者平衡的情況下，三級充電樁成為了一種頗有前途的解決方案。

快速、大功率三級充電樁的設(shè)計

三級充電樁也稱為「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。

圖1：采用Vienna PFC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞募冸妱榆嚾壋潆姌?/span>

采用Vienna拓?fù)溆兄T多優(yōu)勢，但也會帶來不小的挑戰(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)。

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?？蛇_(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用于三級充電樁可以帶來諸多優(yōu)勢，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。

圖2：比較碳化硅器件和傳統(tǒng)硅器件的材料特性和應(yīng)用優(yōu)勢

安森美碳化硅產(chǎn)品組合

安森美提供適用于三級充電樁的碳化硅寬禁帶二極管和MOSFET，其中二極管產(chǎn)品系列包含適用于650V和1200V電壓的產(chǎn)品，并且提供多種封裝形式，包括Decawatt封裝 (DPAK) 、TO-220、直接覆銅 (DBC) 和基板安裝模塊。以FFSH50120A為例，這是一款采用TO-247-2封裝制造的50A、1200V反向電壓肖特基碳化硅二極管，耗散功率達(dá)到730W，能夠在溫度高達(dá)+175°C的環(huán)境下工作。

其碳化硅MOSFET系列包括通過1200V車用級AEC-Q101認(rèn)證的N溝道NVHL080N120SC1通孔安裝器件，該器件可以連續(xù)提供高達(dá)44A的電流，最大RDS(ON)為110mΩ。

基于碳化硅的寬禁帶二極管和MOSFET具有諸多優(yōu)異的特性，非常適合用于三級充電樁。其高速開關(guān)能力、緊湊的尺寸和穩(wěn)健的屬性使之成為設(shè)計大功率、節(jié)能和緊湊型充電樁的理想選擇。

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