【導(dǎo)讀】目前，電動(dòng)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(shí)充電時(shí)間。然而，隨著全國(guó)各地部署越來越多的充電樁，“直流快速充電”有望將等待時(shí)間縮短至數(shù)分鐘。這些額定功率達(dá)350 kW的大功率充電樁，必須利用最新的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)，以盡可能提高電能效來實(shí)現(xiàn)成本效益。本文將介紹這些大功率充電樁的典型設(shè)計(jì)方法，對(duì)功率器件的一些選擇，以及最新的寬禁帶半導(dǎo)體可帶來的優(yōu)勢(shì)。
無可否認(rèn)，電動(dòng)汽車越來越被廣泛接受，其銷售增長(zhǎng)率約60％[1]。然而，該分析也指出在2018年底其市場(chǎng)滲透率僅2.2％，因此，電動(dòng)汽車要成為主流還有很長(zhǎng)的路要走。盡管如此，制造商仍承諾，預(yù)計(jì)到2023年將有400多款電動(dòng)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(gòu)置成本，還有 “里程焦慮”的問題。電動(dòng)汽車用于短途通勤和本地出行可能沒有問題，因?yàn)榧矣贸潆娖鲿?huì)在夜間為電動(dòng)汽車“充電”。真正令人們卻步的是電動(dòng)汽車行駛里程一般少于300英里，這對(duì)于長(zhǎng)途駕駛來說不夠用。尤其是在充電點(diǎn)很少且隔得很遠(yuǎn)的地區(qū)，如果充電需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)那么使用電動(dòng)汽車就很難實(shí)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(gè)小時(shí)，導(dǎo)致第二天幾乎不夠時(shí)間出行。但是，隨著 “快速” 直流充電樁的出現(xiàn)，充電時(shí)間將可以以分鐘而不是小時(shí)來計(jì)算。
充電樁分級(jí)
在家、辦公室和路邊有不同的充電選擇，大眾可能對(duì)術(shù)語(yǔ)也有一些爭(zhēng)議，但普遍認(rèn)為“1級(jí)(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(jí)(Level 2)” 指利用240 V AC或有時(shí)指通過安裝，內(nèi)置控制和保護(hù)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(jí)(Level 3)” 指從靜態(tài)AC-DC轉(zhuǎn)換器直接向電池進(jìn)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(shí)間可縮減至數(shù)分鐘，類似于為內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛加油所需的時(shí)間。
圖1總結(jié)了在美國(guó)電動(dòng)汽車三種充電級(jí)別的表現(xiàn)。
圖1：充電級(jí)別和性能（美國(guó)）
快速充電樁技術(shù)
功率達(dá)350 kW的3級(jí)充電樁設(shè)計(jì)要求極高，低成本永遠(yuǎn)需優(yōu)先考慮，然而轉(zhuǎn)換能效也是關(guān)鍵。每浪費(fèi)一瓦特就意味著更高的電費(fèi)、更少的電量充電池和更長(zhǎng)的充電時(shí)間，而過多的熱損失也降低了電動(dòng)汽車的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)顯示主要元素。
圖2：典型的快速直流充電樁框圖
幾千瓦級(jí)充電樁通常使用“維也納(Vienna)整流器”來實(shí)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?fù)?。拓?fù)?的器件較少，能效最高，但是二極管必須使用相對(duì)昂貴的1200 V類型，且六個(gè)開關(guān)需要復(fù)雜的控制。而拓?fù)?僅使用三個(gè)開關(guān)，控制較為簡(jiǎn)單，且二極管可以是600 V類型，但因傳導(dǎo)路徑中有更多的二極管，能效較低。
在每種拓?fù)渲?，都可用高壓?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(shè)計(jì)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(chǎng)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(dòng)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(jí)，安森美的“超場(chǎng)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?fù)?/p>
Vienna整流器級(jí)為主DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的高壓總線，這是其中一種拓?fù)洹D4所示的全橋交錯(cuò)LLC和三級(jí)LLC是最常見的實(shí)施方法。交錯(cuò)版本可使用650 V 超級(jí)結(jié)MOSFET，因每個(gè)MOSFET只有一半的電源電壓。安森美的SuperFET?III技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這些拓?fù)?，并分為三個(gè)版本：
“易驅(qū)動(dòng)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(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最高能效。
“快速恢復(fù)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(shí)現(xiàn)最佳性能。
圖4：替代轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>
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(gè)H橋，無需交錯(cuò)，開關(guān)數(shù)量更少，從而再次節(jié)省成本。對(duì)于成本非常敏感的應(yīng)用，可使用安森美半導(dǎo)體的場(chǎng)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(jí)LLC拓?fù)涫褂幂^少的二極管和開關(guān)，集成相關(guān)的隔離型門極驅(qū)動(dòng)，盡管需要三個(gè)變壓器，但輸出紋波要低得多。同樣，可使用超級(jí)結(jié)Si或SiC-MOSFET或IGBT，具體取決于對(duì)性能/成本的權(quán)衡。
寬禁帶SiC器件提供廣泛的性能改進(jìn)
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(shí)節(jié)能。 實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(yīng)會(huì)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(shí)提供了增強(qiáng)的熱性能。為大幅減少生產(chǎn)裝配時(shí)間和器件數(shù)，可考慮使用功率集成模塊(PIM)，PIM將多個(gè)器件集成在一個(gè)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(cè)電阻等其他元器件。預(yù)集成的PIM的性能是有保證的，能消除開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，減少器件庫(kù)存并加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。
總結(jié)
最新一代功率半導(dǎo)體用于高能效電源轉(zhuǎn)換拓?fù)渲?，賦能快速電動(dòng)汽車直流充電樁設(shè)計(jì)，解決“里程焦慮”問題。安森美垂直集成了供應(yīng)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(dòng)器、低損耗電流檢測(cè)放大器和光耦合器。
參考文獻(xiàn)
[1] EV-Volumes.com; McKinsey analysis
[2] www.onsemi.com
來源：安森美，作者：工業(yè)業(yè)務(wù)拓展Steven Shackell
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