插电式混合动力 / 电动汽车(xEV)包含一个高压电池子系统,可采用内置的车载充电器(OBC)或外部的充电桩进行充电。充电(应用)要求在高温环境下具有高电压、高电流和高性能,开发高能效、高性能、具丰富保护功能的充电桩对于实现以尽可能短的充电时间续航更远的里程至关重要。常用的半导体器件有 IGBT、超结 MOSFET 和碳化硅(SiC)。安森美半导体为电动汽车 OBC 和直流充电桩提供完整的系统方案,包括通过 AEC 车规认证的超级结 MOSFET、IGBT、门极驱动器、碳化硅(SiC)器件、电压检测、控制产品乃至电源模块等,支持设计人员优化性能,加快开发周期。本文将主要介绍用于电动汽车直流充电桩的超级结 MOSFET 和具成本优势的 IGBT 方案。

 

电动汽车充电级和里程

充电桩按充电能力分类,以处理不同的用例场景。一级充电桩是 120 V、输出 15 A 或 20 A 的交流充电桩,每充电 1 小时增加约 4 至 6 英里里程。二级充电功率有 3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW 四种功率级别,适用于输出电流分别达 20 A、20 A、50 A、100 A 的 240 V 交流电源插座。直流快速充电(DCFC)桩的输入电压为 440 V 或 480 V,能在 30 分钟内充到 80%左右,用于公共充电桩。根据中国“一车一桩”计划,电动汽车充电桩总数在 2020 年将达 480 万个,电动汽车充电工程的 450 万个总安装量中将至少有 200 万个是大功率直流充电桩,且 2020 年后其它国家也将增加电动汽车充电桩。安森美半导体主要提供 DCFC 方案。

 

图 1:电动汽车充电级和里程

 

电动汽车充电桩电源模块系统趋势

1. 增加输出功率以节省充电时间

 

充电桩将由现在主流的 60 kW、90 kW 发展到将来的 150 kW、240 kW,相应地充电桩电源模块将由现在的 15 kW、20 kW、30 kW 提高到将来的 40 kW、50 kW、60 kW,以缩短充满电的时间。

 

2. 提高功率密度以节省空间

 

这可通过提高开关频率 Fsw 以减少无源器件,并降低损耗以减少散热器来实现。

 

3. 提高能效以节能

 

安森美半导体定位于将满载能效从现在的 95%提高到超过 96%,超越能效法规。

 

4. 提高系统可靠性

 

这需要延长电解电容器使用寿命和确保在有尘、潮湿、热、寒区域等户外安装的高可靠性。

 

超级结 MOSFET 的优势和使用趋势

转向零排放电动汽车等节能减排趋势推动对中高压 MOSFET 的需求增加。平面 MOSFET 的导通电阻 Rds(on)和损耗较大。且根据击穿电压与面积成正比,要获得更高的击穿电压需要更大面积的掺杂。超级结 MOSFET 能够显著降低导通电阻 Rds(on)和门极电荷 Qg。超级结 MOSFET 由于电荷平衡,在相同的掺杂下,面积是 2 倍,因此击穿电压也是两倍,且击穿电压与导通电阻近似线性关系,从而显著降低导通损耗和开关损耗。由于超级结 MOSFET 在快速开关应用中的能效和功率密度高,常用于高端应用。

 

电动汽车充电桩架构和安森美半导体的第 3 代超级结 MOSFET 方案

例如,210 kW 电动汽车充电点由 14 个 15 kW 模块组成,每个 15 kW 的电池充电器模块都是由 3 相交流 380 V 输入,经过 3 相 Vienna 功率因数校正(PFC)后,电压升高到 800 V 直流电压,再经过高压 DC-DC 输出 250 V 至 750 V 直流电压。

 

图 2:电动汽车充电桩架构

 

其中,3 相 Vienna  PFC 可选用安森美半导体的第 3 代超级结 MOSFET (SUPERFET III)的易驱动(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列,多级 LLC 可选用 SUPERFET III 快速恢复(FRFET)系列。EASY Drive 系列可内部调节门极电阻 Rg 和寄生电容,有极低的 EMI 和电压尖峰,适用于硬 / 软开关。FAST 系列有减小的门极电荷 Qg 和输出电容储存能量 Eoss,低开关损耗,高能效,适用于硬开关拓扑。FRFET 系列集成一个高度优化的快恢复二极管,具有超低 Qrr 和 Trr,最小化开关损耗并提高系统级可靠性,适用于软 / 硬开关拓扑。

 

 

 

图 3:推荐的安森美半导体 SUPERFET III 方案用于电动汽车充电桩

 

SUPERFET III FRFET 系列具有超低 Qrr 和 Trr

在同等工作条件下对安森美半导体的 SUPERFET III FRFET 系列和 Easy Drive 系列进行比较,测得 FRFET 系列比 Easy Drive 系列的 Qrr 和 Irr 分别降低 90%和 73%。

 

安森美半导体的 SUPERFET III FRFET 优于竞争对手

在同等工作条件下,测得安森美半导体的 SUPERFET III FRFET 的门极电荷 Qg、Trr、Irr、Qrr 和 Eoss 比竞争对手都有不同程度的降低,降低幅度从 8%到 47%不等,并且有更低的导通电阻 Rds(on)、关断损耗和同类最佳的二极管性能,因而提供更高的系统能效。

 

利用 SUPERFET III FRFET 避免输出短路故障

普通 MOSFET 在 LLC 拓扑中容易出现输出短路故障,而安森美半导体的 SUPERFET III FRFET 通过优化门极电荷 Qg 等参数可避免输出短路故障,使器件正常工作。

 

采用 SUPERFET III FRFET 的 HF 版本提高系统能效

安森美半导体 SUPERFET III FRFET 的 F 版本在关断时是慢开关,因而有低尖峰 Vds 和低 dv/dt,优势是更好的 EMI 性能。HF 版本在关断时为快速开关,故有更低的开关损耗和更低的 Ross,可提供更高的系统能效。

 

具成本优势的 IGBT 方案用于电动汽车充电桩

相比较超级结方案,IGBT 可提供具成本优势的方案用于电动汽车充电桩。安森美半导体提供领先行业的场截止 IGBT 技术,其最新的第四代场截止(FS4) IGBT 具备同类最低的导通损耗、开通损耗、关断损耗、体二极管损耗和更小的电压尖峰。推荐用于电动汽车充电桩的 FS4 IGBT 和整流器方案如下表所示。

 

 

图 4:具成本优势的 IGBT 和整流方案用于电动汽车充电桩

 

SiC 和智能功率模块(IPM)

此外,安森美半导体也提供 650 V 和 1200 V SiC 二极管、1200 V SiC MOSFET,以及紧凑的 IPM 以实现更高能效、功率密度和可靠性。

 

总结

安森美半导体凭借在功率器件和封装技术的专业知识,为电动汽车充电应用提供高能效创新的半导体方案,包括同类最佳的超级结 MOSFET、具成本优势的 IGBT 及二极管方案、基于 SiC 的方案和 IPM,有助于实现更高性能、能效和更低损耗,是用于电动汽车充电桩 DC-DC、PFC 等电源模块的极佳选择。