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          同類最佳的超級(jí)結(jié)MOSFET和 具成本優(yōu)勢(shì)的IGBT用于電動(dòng)汽車充電樁

          作者: 時(shí)間:2019-10-18 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          插電式混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(xEV)包含一個(gè)高壓電池子系統(tǒng),可采用內(nèi)置的車載充電器(OBC)或外部的進(jìn)行充電。充電(應(yīng)用)要求在高溫環(huán)境下具有高電壓、高電流和高性能,開發(fā)高能效、高性能、具豐富保護(hù)功能的對(duì)于實(shí)現(xiàn)以盡可能短的充電時(shí)間續(xù)航更遠(yuǎn)的里程至關(guān)重要。常用的半導(dǎo)體器件有、超結(jié)MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半導(dǎo)體為電動(dòng)汽車OBC和直流提供完整的系統(tǒng)方案,包括通過(guò)AEC車規(guī)認(rèn)證的、、門極驅(qū)動(dòng)器、碳化硅(SiC)器件、電壓檢測(cè)、控制產(chǎn)品乃至電源模塊等,支持設(shè)計(jì)人員優(yōu)化性能,加快開發(fā)周期。本文將主要介紹用于電動(dòng)汽車直流充電樁的和具成本優(yōu)勢(shì)的方案。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201910/405991.htm

          電動(dòng)汽車充電級(jí)和里程

          充電樁按充電能力分類,以處理不同的用例場(chǎng)景。一級(jí)充電樁是120 V、輸出15 A或20 A 的交流充電樁,每充電1小時(shí)增加約4至6英里里程。二級(jí)充電功率有3.3 kW、6.6 kW、9.6 kW、19.2 kW四種功率級(jí)別,適用于輸出電流分別達(dá)20 A、20 A、50 A、100 A的240 V交流電源插座。直流快速充電(DCFC)樁的輸入電壓為440 V或480 V,能在30分鐘內(nèi)充到80%左右,用于公共充電樁。根據(jù)中國(guó)“一車一樁”計(jì)劃,電動(dòng)汽車充電樁總數(shù)在2020年將達(dá)480萬(wàn)個(gè),電動(dòng)汽車充電工程的450萬(wàn)個(gè)總安裝量中將至少有200萬(wàn)個(gè)是大功率直流充電樁,且2020年后其它國(guó)家也將增加電動(dòng)汽車充電樁。安森美半導(dǎo)體主要提供DCFC方案。

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          圖1:電動(dòng)汽車充電級(jí)和里程

          電動(dòng)汽車充電樁電源模塊系統(tǒng)趨勢(shì)

          1. 增加輸出功率以節(jié)省充電時(shí)間

          充電樁將由現(xiàn)在主流的60 kW、90 kW發(fā)展到將來(lái)的150 kW、240 kW,相應(yīng)地充電樁電源模塊將由現(xiàn)在的15 kW、20 kW、30 kW提高到將來(lái)的40 kW、50 kW、60 kW,以縮短充滿電的時(shí)間。

          2. 提高功率密度以節(jié)省空間

          這可通過(guò)提高開關(guān)頻率Fsw以減少無(wú)源器件,并降低損耗以減少散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

          3. 提高能效以節(jié)能

          安森美半導(dǎo)體定位于將滿載能效從現(xiàn)在的95%提高到超過(guò)96%,超越能效法規(guī)。

          4. 提高系統(tǒng)可靠性

          這需要延長(zhǎng)電解電容器使用壽命和確保在有塵、潮濕、熱、寒區(qū)域等戶外安裝的高可靠性。

          的優(yōu)勢(shì)和使用趨勢(shì)

          轉(zhuǎn)向零排放電動(dòng)汽車等節(jié)能減排趨勢(shì)推動(dòng)對(duì)中高壓MOSFET的需求增加。平面MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)和損耗較大。且根據(jù)擊穿電壓與面積成正比,要獲得更高的擊穿電壓需要更大面積的摻雜。超級(jí)結(jié)MOSFET能夠顯著降低導(dǎo)通電阻Rds(on)和門極電荷Qg。超級(jí)結(jié)MOSFET由于電荷平衡,在相同的摻雜下,面積是2倍,因此擊穿電壓也是兩倍,且擊穿電壓與導(dǎo)通電阻近似線性關(guān)系,從而顯著降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。由于超級(jí)結(jié)MOSFET在快速開關(guān)應(yīng)用中的能效和功率密度高,常用于高端應(yīng)用。

          電動(dòng)汽車充電樁架構(gòu)和安森美半導(dǎo)體的第3代超級(jí)結(jié)MOSFET方案

          例如,210 kW 電動(dòng)汽車充電點(diǎn)由14個(gè)15 kW模塊組成,每個(gè)15 kW的電池充電器模塊都是由3相交流380 V輸入,經(jīng)過(guò)3相Vienna 功率因數(shù)校正(PFC)后,電壓升高到800 V直流電壓,再經(jīng)過(guò)高壓DC-DC輸出250 V至750 V直流電壓。

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          圖2:電動(dòng)汽車充電樁架構(gòu)

          其中,3相Vienna  PFC可選用安森美半導(dǎo)體的第3代超級(jí)結(jié)MOSFET (SUPERFET III)的易驅(qū)動(dòng)(EASY Drive)/ 快速(FAST)系列,多級(jí)LLC可選用SUPERFET III 快速恢復(fù)(FRFET)系列。EASY Drive系列可內(nèi)部調(diào)節(jié)門極電阻Rg和寄生電容,有極低的EMI和電壓尖峰,適用于硬/軟開關(guān)。FAST系列有減小的門極電荷Qg和輸出電容儲(chǔ)存能量Eoss,低開關(guān)損耗,高能效,適用于硬開關(guān)拓?fù)?。FRFET系列集成一個(gè)高度優(yōu)化的快恢復(fù)二極管,具有超低Qrr和Trr,最小化開關(guān)損耗并提高系統(tǒng)級(jí)可靠性,適用于軟/硬開關(guān)拓?fù)洹?/p>

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          圖3:推薦的安森美半導(dǎo)體SUPERFET III方案用于電動(dòng)汽車充電樁

          SUPERFET III FRFET系列具有超低Qrr和Trr

          在同等工作條件下對(duì)安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET系列和Easy Drive系列進(jìn)行比較,測(cè)得FRFET系列比Easy Drive系列的Qrr和Irr分別降低90%和73%。

          安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

          在同等工作條件下,測(cè)得安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET的門極電荷Qg、Trr、Irr、Qrr和Eoss比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都有不同程度的降低,降低幅度從8%到47%不等,并且有更低的導(dǎo)通電阻Rds(on)、關(guān)斷損耗和同類最佳的二極管性能,因而提供更高的系統(tǒng)能效。

          利用SUPERFET III FRFET避免輸出短路故障

          普通MOSFET在LLC拓?fù)渲腥菀壮霈F(xiàn)輸出短路故障,而安森美半導(dǎo)體的SUPERFET III FRFET通過(guò)優(yōu)化門極電荷Qg等參數(shù)可避免輸出短路故障,使器件正常工作。

          采用SUPERFET III FRFET的HF版本提高系統(tǒng)能效

          安森美半導(dǎo)體SUPERFET III FRFET的 F版本在關(guān)斷時(shí)是慢開關(guān),因而有低尖峰Vds和低dv/dt,優(yōu)勢(shì)是更好的EMI性能。HF版本在關(guān)斷時(shí)為快速開關(guān),故有更低的開關(guān)損耗和更低的Ross,可提供更高的系統(tǒng)能效。

          具成本優(yōu)勢(shì)的IGBT方案用于電動(dòng)汽車充電樁

          相比較超級(jí)結(jié)方案,IGBT可提供具成本優(yōu)勢(shì)的方案用于電動(dòng)汽車充電樁。安森美半導(dǎo)體提供領(lǐng)先行業(yè)的場(chǎng)截止IGBT技術(shù),其最新的第四代場(chǎng)截止(FS4) IGBT具備同類最低的導(dǎo)通損耗、開通損耗、關(guān)斷損耗、體二極管損耗和更小的電壓尖峰。推薦用于電動(dòng)汽車充電樁的FS4 IGBT和整流器方案如下表所示。

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          圖4:具成本優(yōu)勢(shì)的IGBT和整流方案用于電動(dòng)汽車充電樁

          SiC和智能功率模塊(IPM)

          此外,安森美半導(dǎo)體也提供650 V和1200 V SiC二極管、1200 V SiC MOSFET,以及緊湊的IPM以實(shí)現(xiàn)更高能效、功率密度和可靠性。

          總結(jié)

          安森美半導(dǎo)體憑借在功率器件和封裝技術(shù)的專業(yè)知識(shí),為電動(dòng)汽車充電應(yīng)用提供高能效創(chuàng)新的半導(dǎo)體方案,包括同類最佳的超級(jí)結(jié)MOSFET、具成本優(yōu)勢(shì)的 IGBT 及二極管方案、基于SiC的方案和IPM,有助于實(shí)現(xiàn)更高性能、能效和更低損耗,是用于電動(dòng)汽車充電樁 DC-DC、PFC等電源模塊的極佳選擇。



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