作者：安森美工業(ye) 業(ye) 務拓展Steven Shackell

目前，電動汽車的使用仍受到阻礙，主要在於(yu) “裏程焦慮”問題，並且車主不願在道路上等待數小時充電時間。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分鍾。這些額定功率達350kW的大功率充電樁，必須利用最新的電源轉換拓撲結構和半導體(ti) 開關(guan) 技術，以盡可能提高電能效來實現成本效益。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(ti) 可帶來的優(you) 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(jin) 2.2％，因此，電動汽車要成為(wei) 主流還有很長的路要走。盡管如此，製造商仍承諾，預計到2023年將有400多款電動汽車車型上市。

讓人們(men) 放棄使用汽油汽車的決(jue) 定受許多因素影響，其中最重要的是購置成本，還有“裏程焦慮”的問題。電動汽車用於(yu) 短途通勤和本地出行可能沒有問題，因為(wei) 家用充電器會(hui) 在夜間為(wei) 電動汽車“充電”。真正令人們(men) 卻步的是電動汽車行駛裏程一般少於(yu) 300英裏，這對於(yu) 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，如果充電需要花費幾個(ge) 小時那麽(me) 使用電動汽車就很難實行了。

即使是在家從(cong) 240V AC電源為(wei) 已耗盡電量的100kWh電池(如在特斯拉中)充滿電也可能需要14個(ge) 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，充電時間將可以以分鍾而不是小時來計算。

充電樁分級

在家、辦公室和路邊有不同的充電選擇，大眾(zhong) 可能對術語也有一些爭(zheng) 議，但普遍認為(wei) “1級(Level1)”指使用常規120V AC家庭插座(歐洲為(wei) 230/240V AC)，充電速度最慢。“2級(Level2)”指利用240V AC或有時指通過安裝，內(nei) 置控製和保護的充電樁使用400V AC三相。Level2提供更快的充電速率，但這仍基於(yu) 家庭使用。Level1和Level2均使用車載充電器為(wei) 電池產(chan) 生直流電。“3級(Level3)”指從(cong) 靜態AC-DC轉換器直接向電池進行直流充電，通常是在加油站，並需要使用三相AC電源。這種配置的最大功率為(wei) 350kW，充電時間可縮減至數分鍾，類似於(yu) 為(wei) 內(nei) 燃機(ICE)車輛加油所需的時間。

圖1總結了在美國電動汽車三種充電級別的表現。

圖1：充電級別和性能（美國）

快速充電樁技術

功率達350kW的3級充電樁設計要求極高，低成本永遠需優(you) 先考慮，然而轉換能效也是關(guan) 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保優(you) 勢。高能效還降低冷卻硬件的需求，從(cong) 而有助於(yu) 縮減成本和尺寸。

圖2展示典型的直流快速充電樁框圖，並重點顯示主要元素。

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”來實現三相交流整流和功率因數校正(PFC)。圖3顯示兩(liang) 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1200V類型，且六個(ge) 開關(guan) 需要複雜的控製。而拓撲2僅(jin) 使用三個(ge) 開關(guan) ，控製較為(wei) 簡單，且二極管可以是600V類型，但因傳(chuan) 導路徑中有更多的二極管，能效較低。

在每種拓撲中，都可用高壓矽(Si)MOSFET或碳化矽(SiC)MOSFET，若為(wei) 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(cong) 安森美(onsemi)[2]中選擇不同器件，例如，其“第4代場截止(Field Stop4)”器件可提供650V或950V額定值的低速、中速和高速版本，具有不同的飽和電壓和體(ti) 現動態損耗的EOFF值。在較高的額定電壓下，可能需要基於(yu) IGBT的三相半橋整流器/PFC級，安森美的“超場截止(Ultra Field Stop)”1200V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(wei) 主DC-DC轉換級產(chan) 生一個(ge) 穩定的高壓總線，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650V超級結MOSFET，因每個(ge) MOSFET隻有一半的電源電壓。安森美的SuperFET III技術可實現這些拓撲，並分為(wei) 三個(ge) 版本：

“易驅動版本(EasyDrive)”

集成門極電阻以降低電磁幹擾(EMI)和電壓尖峰。

“快速版本(Fast)”

用於(yu) 硬開關(guan) 應用中實現最高能效。

“快速恢複版本(FRFET)”

集成同類最佳的體(ti) 二極管，用於(yu) LLC等諧振轉換器中實現最佳性能。

圖4：替代轉換器拓撲

為(wei) 了獲得更高能效和功率密度，工程師可使用900V/1200V SiC MOSFET，以在較高的開關(guan) 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(jin) 使用單個(ge) H橋，無需交錯，開關(guan) 數量更少，從(cong) 而再次節省成本。對於(yu) 成本非常敏感的應用，可使用安森美半導體(ti) 的場截止係列的650V或1200VIGBT，但開關(guan) 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1200V的“Stealth”或“Hyperfast”矽類型，也可以是損耗更低的1200VSiC類型。

三級LLC拓撲使用較少的二極管和開關(guan) ，集成相關(guan) 的隔離型門極驅動，盡管需要三個(ge) 變壓器，但輸出紋波要低得多。同樣，可使用超級結Si或SiC-MOSFET或IGBT，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 對性能/成本的權衡。

寬禁帶SiC器件提供廣泛的性能改進

采用SiC寬禁帶開關(guan) 和二極管有很多好處，快速、低損耗的高壓開關(guan) 可減少係統成本、尺寸和重量，同時節能。實驗比較了使用Vienna整流器和全橋LLC轉換器的矽方案，及集成碳化矽的三相半橋整流器/PFC的全橋LLC轉換器，結果顯示，采用SiC版本的方案，功率吞吐量提高了25％，重量減少22％，體(ti) 積減少62％，器件數減少20％，從(cong) 而使產(chan) 品更可靠。

封裝也在發展

能否充分利用功率半導體(ti) 通常取決(jue) 於(yu) 封裝，尤其是在較高的開關(guan) 頻率下，引線電感等寄生效應會(hui) 降低性能。安森美的創新PQFN、LFPAK和TO無鉛封裝能解決(jue) 這一問題，同時提供了增強的熱性能。為(wei) 大幅減少生產(chan) 裝配時間和器件數，可考慮使用功率集成模塊(PIM)，PIM將多個(ge) 器件集成在一個(ge) 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，能消除開發風險，減少器件庫存並加快了產(chan) 品上市時間。

總結

最新一代功率半導體(ti) 用於(yu) 高能效電源轉換拓撲中，賦能快速電動汽車直流充電樁設計，解決(jue) “裏程焦慮”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，輔以一係列全麵的支持器件如模擬和數字控製器、隔離型門極驅動器、低損耗電流檢測放大器和光耦合器。